DE10103431A1 - Power supply device - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Eine Stromversorgungs-Einrichtung weist einen Photovoltaik-Generator (1) sowie von dem Generator gespeiste Sekundär-Akkumulatoren (5, 7) auf, an die ein Verbraucher (16) angeschlossen ist. Die Sekundär-Akkumulatoren (5, 7) weisen unterschiedliche Akku-Technologien auf. Diese unterschiedlichen Akkumulatortechnologien zeichnen sich insbesondere durch verschiedene Spannungslagen, unterschiedliche Innenwiderstände, unterschiedliche Selbstentladung und unterschiedliche Anforderungen an die Ladestrategien und dergleichen aus. DOLLAR A Jeweils ein oder mehrere Sekundär-Akkumulatoren (5, 7) gleicher Technologien sind mittels einer Systemsteuerung (17) wahlweise über Schalter (4, 6) an einem mit dem Generator (1) und dem Verbraucher (16) verbundenen Gleichstromversorgungsstrang (18) schaltbar. Das vorliegende Konzept mit mehreren verschiedenen Akkumulatortechnologien in einer unterbrechungsfreien Stromversorgung bietet höchste Zuverlässigkeit und Effizienz, da die verschiedenen Akkus im Rahmen der unterschiedlichen Anforderungen wahl- und wechselweise einsetzbar sind.A power supply device has a photovoltaic generator (1) and secondary batteries (5, 7) fed by the generator, to which a consumer (16) is connected. The secondary batteries (5, 7) have different battery technologies. These different accumulator technologies are characterized in particular by different voltage levels, different internal resistances, different self-discharges and different demands on the charging strategies and the like. DOLLAR A One or more secondary accumulators (5, 7) of the same technologies are connected by means of a system control (17) optionally via switches (4, 6) to a direct current supply line (18) connected to the generator (1) and the consumer (16) switchable. The present concept with several different accumulator technologies in an uninterruptible power supply offers the highest reliability and efficiency, since the different accumulators can be used alternately and within the scope of the different requirements.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungs-Einrichtung mit einem Photovoltaik-Generator sowie mit von dem Generator gespeisten Akkumulatoren, an die ein Verbraucher angeschlossen ist.The invention relates to a power supply devicewith a photovoltaic generator and with the generatorfed accumulators to which a consumer is connectedis.

Zur Versorgung z. B. von Sensoren und Telematiksystemen werden autonome Stromversorgungen benötigt, die einen wartungsfreien und zuverlässigen Betrieb über lange Zeiträume ermöglichen ("mount and forget"-Prinzip). Die Messergebnisse können über Funknetze unterschiedlichster Art zu zentralen Leitstellen weitergeleitet werden.To supply z. B. from sensors and telematics systemsautonomous power supplies that require a maintenance-free andenable reliable operation over long periods of time ("mountand forget "principle). The measurement results can be made via radio networksforwarded to the central control center in various waysbecome.

Bei sehr kleinem Leistungsbedarf können Primärbatterien auch für mehrjährigen Betrieb eingesetzt werden. Sobald aber der Verbrauch höher liegt und ein netzfreier Betrieb möglich sein soll, ist dies nicht mehr möglich.With very low power requirements, primary batteries can also be used forseveral years of operation. But as soon as the consumptionis higher and should be possible to operate without mainsthis is no longer possible.

Wegen der Verfügbarkeit der solaren Einstrahlung und des Energiebedarfs für eine solche autonome Stromversorgung werden deshalb Photovoltaik-Generatoren eingesetzt, um ein Akkumulator­system aufladen zu können.Because of the availability of solar radiation andEnergy requirements for such an autonomous power supply will betherefore photovoltaic generators used to be an accumulatorto be able to charge the system.

Problematisch ist hierbei jedoch, daß ein erheblicher jahreszeitli­cher Unterschied in der solaren Einstrahlung auftritt. Daher muß Energie vom Sommer in den Winter gespeichert und zur Verfügung gestellt werden können.The problem here, however, is that a considerable seasonalThe difference in solar radiation occurs. Therefore Energy from summer to winter is stored and availablecan be put.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromversorgungs-Einrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die eine hohe Zuverlässigkeit, einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer aufweist. Außerdem soll ein flexibler Einsatz bei unterschiedlichen Verbrauchern und unterschiedlich verschalteten Photovoltaik-Generatoren möglich sein.The object of the present invention is to provide a power supplyEstablishment of the type mentioned to create a highReliability, high efficiency and longHas lifespan. In addition, a flexible use shoulddifferent consumers and different interconnectionsPhotovoltaic generators may be possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß mehrere Sekundär-Akkumulatoren unterschiedlicher Technologie vorgesehen sind und daß jeweils ein oder mehrere Sekundär-Akkumulatoren gleicher Technologie mittels einer Systemsteuerung wahlweise über Schalter an einen mit dem Generator und dem Verbraucher verbundenen Gleichstromversorgungsstrang schaltbar sind.To solve this problem, it is proposed that several secondaryAccumulators of different technology are provided andthat one or more secondary batteries of the same kindTechnology by means of a system control, optionally via switchesto one connected to the generator and the consumerDC power supply are switchable.

Das vorliegende Konzept mit mehreren verschiedenen Akkumulator­technologien in einer unterbrechungsfreien Stromversorgung bietet höchste Zuverlässigkeit und Effizienz, da die verschiedenen Akkus im Rahmen der unterschiedlichen Anforderungen wahl- und wechselweise einsetzbar sind.The present concept with several different accumulatorstechnologies in an uninterruptible power supplyhighest reliability and efficiency because of the different batteriesalternatively and in the context of the different requirementscan be used.

Die unterschiedlichen Akkumulatortechnologien zeichnen sich insbesondere durch verschiedene Spannungslagen, unterschiedliche Innenwiderstände, unterschiedliche Selbstentladung und unter­schiedliche Anforderungen an die Ladestrategien aus.The different accumulator technologies stand outespecially due to different voltage levels, differentInternal resistances, different self-discharge and underdifferent requirements for the charging strategies.

Bei Einsatz mehrerer Akkumulatoren können auch Typen auf der Basis des gleichen elektrochemischen Systems mit unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich Zyklenfestigkeit, Lebensdauer, Selbst­entladung, Leistungs- und Energiedichten sowie Wirkungsgrad entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen als Kurzzeit- oder Langzeitspeicher eingesetzt werden.If several accumulators are used, types can also be basedthe same electrochemical system with different onesProperties regarding cycle stability, service life, selfdischarge, power and energy densities and efficiencyaccording to the different requirements as short-termor long-term storage can be used.

Der Einsatz von mehreren Akkumulatoren bietet auch eine erhöhte Betriebssicherheit. Von der Systemsteuerung als defekt identifi­zierte Akkumulatoren können ohne direkte Beeinträchtigung der Versorgungsaufgabe abgeschaltet werden.The use of multiple batteries also offers an increasedOperational reliability. Identified by the system control as defectiveadorned accumulators can directly affect the Supply task can be switched off.

Somit erlaubt eine solche Stromversorgungs-Einrichtung einen flexiblen Einsatz bei unterschiedlichen Verbrauchern und unterschiedlich verschalteten Photovoltaik-Generatoren.Such a power supply device thus allows oneflexible use with different consumers anddifferently connected photovoltaic generators.

Mit Hilfe der Systemsteuerung ist der Aufwand für die Daten­erfassung insbesondere zur Bestimmung des aktuellen Ladezustands aller Speicher im System, des Lade- und Entlademanagements und der Auswahl des oder der zu aktivierenden Sekundär-Akkumulatoren vergleichsweise gering.With the help of the system control is the effort for the dataacquisition in particular to determine the current state of chargeall storage in the system, the loading and unloading management andthe selection of the secondary battery or batteries to be activatedcomparatively low.

Vorteilhafterweise ist zusätzlich zu den Sekundär-Akkumulatoren eine Primär-Batterie an den Gleichstromversorgungsstrang angeschlossen, insbesondere entkoppelt über eine Diode.In addition to the secondary accumulators is advantageousa primary battery to the DC power supplyconnected, in particular decoupled via a diode.

Diese Primärbatterie liefert nur dann Energie, wenn die Spannung auf dem Gleichstromversorgungsstrang unter die Spannung der Primär-Akkus abgefallen ist. Voraussetzung ist, daß die Entladeschluß­spannungen der Sekundärakkumulatoren über der Spannung des Primärakkumulators liegen. Die Primärbatterie ist so konzipiert, daß ihre Lebenserwartung mindestens der Zeit zwischen zwei Wartungsintervallen der Stromversorgungs-Einrichtung entspricht und daß sie eine minimale Selbstentladung aufweist. Sie übernimmt die Aufgabe einer Notfallversorgung und erlaubt im Extremfall eine Überbrückung bis Wartungspersonal vor Ort sein kann.This primary battery only supplies energy when the voltageon the DC power supply line under the voltage of the primaryBatteries has dropped. The prerequisite is that the end of unloadingvoltages of the secondary accumulators above the voltage of thePrimary accumulator. The primary battery is designedthat their life expectancy is at least the time between twoMaintenance intervals of the power supply device correspondsand that it has minimal self-discharge. It takes overthe task of emergency care and allows in extreme casesbridging until maintenance personnel can be on site.

Zweckmäßigerweise sind in der Zuleitung von dem Photovoltaik-Generator zu dem Gleichstromversorgungsstrang und in der Zuleitung zum Verbraucher jeweils ein Strommesser, insbesondere Strom-Meßshunte vorgesehen, die mit der Systemsteuerung verbunden sind. Da jeweils nur ein Akkumulator auf den Gleichstromversorgungsstrang aufgeschaltet ist, kann die Ladezustandbestimmung mit nur zwei Strommessungen unabhängig von der Zahl der Akkumulatoren durchgeführt werden. Gemessen wird der Strom vom Erzeuger (Photovoltaik-Generator) und der Verbraucher-Strom. Die Differenz dieser Ströme ergibt den jeweiligen Akkumulatorstrom, der dem jeweils eingeschalteten Akkumulator zugeordnet ist.Advantageously, in the supply line from the photovoltaicGenerator to the DC power supply and in the supply linean ammeter to the consumer, especially an ammeterMeasurement shunts are provided, which are connected to the system control.Since only one accumulator on the DC power supplyis activated, the state of charge can be determined with only twoCurrent measurements regardless of the number of accumulatorsbe performed. The electricity is measured by the producer(Photovoltaic generator) and the consumer electricity. The differenceof these currents gives the respective accumulator current, which theeach switched-on accumulator is assigned. 

Vorzugsweise ist in der Zuleitung zwischen Gleichstromversorgungs­strang und Verbraucher ein DC/DC-Spannungswandler vorgesehen. Der Verbraucher16 kann dadurch lastunabhängig und unabhängig von dem gerade aktivierten Sekundär-Akkumulator mit konstanter Spannung versorgt werden.A DC / DC voltage converter is preferably provided in the supply line between the DC supply line and the consumer. The consumer16 can thus be supplied with a constant voltage regardless of the load and independent of the secondary battery that is just activated.

Gegebenenfalls ist zu dem in der Zuleitung zwischen Gleichstrom­versorgungsstrang und Verbraucher vorgesehene DC/DC-Spannungswandler ein Bypaßzweig mit einem von der Versorgungsspannung am Verbraucher gesteuerten elektronischen Schalter vorgesehen.If necessary, this is in the supply line between direct currentsupply line and loads provided DC / DC voltage convertera bypass branch with one of the supply voltage at the consumercontrolled electronic switch provided.

Bei einem Ausfall des DC/DC-Spannungswandlers kann dadurch die Spannungsversorgung am Verbraucher aufrechterhalten werden. Voraussetzung ist, daß die Verbraucherspannung geringer als die Entladeschlußspannung des Primärakkumulators ist.If the DC / DC voltage converter fails, thePower supply to the consumer must be maintained.The prerequisite is that the consumer voltage is lower than thatFinal discharge voltage of the primary accumulator is.

Um einen Spannungsabfall am Verbraucher während der Schaltvorgänge an den Akkumulatoren zu vermeiden, dient ein Kondensator zur Spannungsstabilisierung. Je nach Anforderung des Verbrauchers und der daraus resultierenden Größe des Kondensators können hier verschiedene Technologien (Kondensator, Elko, Doppelschicht­kondensator) zum Einsatz kommen.To a voltage drop at the consumer during switching operationsTo avoid accumulators, a capacitor is usedVoltage stabilization. Depending on the needs of the consumer andthe resulting size of the capacitor can be found heredifferent technologies (capacitor, electrolytic capacitor, double layercapacitor) are used.

Vorteilhaft ist es, wenn in der Zuleitung zwischen Photovoltaik-Generator und dem Gleichstromversorgungsstrang ein mit der Systemsteuerung in Steuerverbindung stehender DC/DC-Spannungswandler vorgesehen ist.It is advantageous if in the supply line between photovoltaicGenerator and the DC power supply one with theSystem control in control-related DC / DC voltage converteris provided.

Der DC/DC-Spannungswandler kann in Bezug auf den Photovoltaik-Generator gleichzeitig die Funktion eines Maximum-Power-Point-Trackers mit optimaler Leistungsabgabe erfüllen. Der DC/DC-Spannungswandler bringt alle verfügbare Energie auf den Gleichstromversorgungsstrang bis zu einer maximalen Ladeschluß­spannung. Diese kann von der zentralen Systemsteuerung variabel entsprechend dem gerade aktivierten Sekundär-Akkumulator vorgegeben werden.The DC / DC voltage converter can be used in relation to the photovoltaicGenerator simultaneously function as a maximum power pointFulfill trackers with optimal performance. The DC / DCVoltage converter brings up all available energyDC power supply line up to a maximum end of chargetension. This can be varied by the central system controlspecified according to the secondary battery that has just been activatedbecome.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehen ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert.Additional embodiments of the invention are in the othersSubclaims listed. The following is the invention with its essential details with reference to the drawingexplained.

Die einzige Figur zeigt:The only figure shows:

eine schematisierte Schaltung einer Stromversorgungs-Einrichtung.a schematic circuit of a power supplyFacility.

Eine in der Figur gezeigte Stromversorgungs-Einrichtung100 weist einen Gleichstromversorgungsstrang18 auf, an den zumindest ein Photovoltaik-Generator1 als Stromquelle, mehrere Sekundär-Akkumulatoren5,7 und ein Verbraucher16 angeschlossen sind. Die Figur zeigt beispielhaft zwei Sekundärakkumulatoren. Je nach Aufgabe können auch erheblich mehr eingesetzt werden.A power supply device100 shown in the figure has a DC power supply line18 to which at least one photovoltaic generator1 as a power source, a plurality of secondary batteries5 ,7 and a consumer16 are connected. The figure shows an example of two secondary accumulators. Depending on the task, considerably more can be used.

Der Photovoltaik-Generator1 ist im Ausführungsbeispiel über einen DC/DC-Spannungswandler2 an den Gleichstromversorgungsstrang18 angeschlossen. Der DC/DC-Spannungswandler2 erfüllt gleichzeitig in Bezug auf den Photovoltaik-Generator1 die Funktion eines MaxiumPowerPoint-Trackers, so daß auch bei unterschiedlicher Einstrahlung die jeweils maximale Leistung abgegeben wird. Der DC/DC-Spannungswandler2 bringt somit alle verfügbare Energie auf den Gleichstromversorgungsstrang18 bis zu einer maximalen Ladeschlussspannung. Diese kann von einer zentralen Systemsteuerung17 mit einem Mikrocontroller variabel vorgegeben werden. Liefert der Photovoltaik-Generator1 mehr Energie als der Verbraucher16 abnimmt, steigt die Spannung U_DC auf dem Gleichstromversorgungs­strang18 und wird mehr Energie verbraucht als geliefert wird, sinkt die Spannung U_DC auf dem Gleichstromversorgungsstrang18.In the exemplary embodiment, the photovoltaic generator1 is connected to the direct current supply line18 via a DC / DC voltage converter2 . The DC / DC voltage converter2 simultaneously fulfills the function of a MaxiumPowerPoint tracker with respect to the photovoltaic generator1 , so that the maximum power is emitted even with different levels of radiation. The DC / DC voltage converter2 thus brings all available energy to the DC power supply line18 up to a maximum end-of-charge voltage. This can be variably specified by a central system controller17 using a microcontroller. Provides the photovoltaic generator1 decreases more power than the load16, the voltage U_DC rises to the DC power supply strand18 and is more energy than is supplied, the_DC voltage U is lowered to the DC supply lineeighteenth

An den Gleichstromversorgungsstrang18 sind exemplarisch zwei Sekundär-Akkumulatoren5,7 unterschiedlicher Technologie angekoppelt, obgleich nahezu beliebig viele Akkumulatoren angeschlossen werden könnten.By way of example, two secondary batteries5 ,7 of different technology are coupled to the DC power supply line18 , although almost any number of batteries could be connected.

Der Sekundär-Akkumulator7 dient im Ausführungsbeispiel als "Tagesspeicher", während der andere Sekundär-Akkumulator5 als "saisonaler Speicher" dient.In the exemplary embodiment, the secondary accumulator7 serves as a "daily storage", while the other secondary accumulator5 serves as a "seasonal storage".

Außerdem ist eine Primärbatterie9 über eine Diode8 auf den Gleichstromversorgungsstrang18 aufgeschaltet und liefert nur dann Energie, wenn die Spannung U_DC auf dem Gleichstromversorgungsstrang18 unter die Spannung U_B3 der Primärbatterie9 abgefallen ist. Dies erfolgt aber erst dann, wenn alle wiederaufladbaren Sekundär-Akkumulatoren5,7 entladen sind. Die Primärbatterie9 hat daher die niedrigste Spannungslage aller Speicher. Die Spannung der Primärbatterie muß bis zur Entladung höher oder gleich der minimalen Spannung zur Versorgung des Verbrauchers16 liegen. Das gilt nur, wenn ein Bypass um den DC/DC-Wandler benötigt wird. Wenn der DC/DC-Wandler auf- und abwärts wandeln kann, gibt es keine Einschränkung bezüglich Spannungslage des Verbrauchers und dem Primärakkumulator. Der Primärakkumulator9 muß eine Lebens­erwartung aufweisen, die mindestens der Zeit zwischen zwei Wartungsintervallen entspricht. Außerdem soll sie eine minimale Selbstentladung aufweisen.In addition, a primary battery9 is connected via a diode8 to the DC power supply line18 and only supplies energy when the voltage U_DC on the DC power supply line18 has dropped below the voltage U_{B3 of} the primary battery9 . However, this only takes place when all rechargeable secondary batteries5 ,7 are discharged. The primary battery9 therefore has the lowest voltage level of all memories. The voltage of the primary battery must be higher than or equal to the minimum voltage for supplying the consumer16 until discharge. This only applies if a bypass around the DC / DC converter is required. If the DC / DC converter can convert up and down, there is no restriction with regard to the voltage level of the consumer and the primary accumulator. The primary accumulator9 must have a life expectancy that corresponds at least to the time between two maintenance intervals. It should also have minimal self-discharge.

Bei Übergang der Stromversorgung auf die Primärbatterie9, wo also die Energie in den Akkumulatoren erschöpft ist, kann frühzeitig ein Warnsignal an eine Überwachungszentrale abgesetzt werden und danach ist noch ein zuverlässiger Betrieb mit einer Notreserve möglich.When the power supply is transferred to the primary battery9 , that is to say where the energy in the accumulators is exhausted, a warning signal can be sent to a monitoring center at an early stage and then reliable operation with an emergency reserve is still possible.

Der Tagesspeicher-Akku7 hat eine Spannungslage U_B2, die im entladenen Zustand möglichst knapp über der Spannung U_B3 der Primärbatterie9 liegt.The day storage battery7 has a voltage level U_B2 , which in the discharged state is as close as possible to the voltage U_{B3 of} the primary battery9 .

Die beiden Akkus5 und7 sind jeweils über einen selbstsperrenden MOSFET4,6 als elektronische Schalter, die als einstellbarer Widerstand beziehungsweise Schalter arbeiten, mit dem Gleichstrom­versorgungsstrang18 verbunden. Die Steuereingänge (gates) der MOSFETs4,6 sind, wie strichliniert angedeutet, an die System­steuerung17 angeschlossen, so daß die Akkus5,7 wahlweise auf den Gleichstromversorgungsstrang18 aufgeschaltet werden können.The two batteries5 and7 are each connected via a self-locking MOSFET4 ,6 as electronic switches, which work as an adjustable resistor or switch, to the direct current supply line18 . The control inputs (gates) of the MOSFETs4 ,6 are, as indicated by dashed lines, connected to the system controller17 , so that the batteries5 ,7 can optionally be connected to the DC power supply line18 .

Der Akku7 (Tagesspeicher) ist über den MOSFET6 auf den Gleichstromversorgungsstrang18 aufgeschaltet, solange dieser Akku7 einen Betriebszustand aufweist, bei dem er weder voll noch leer ist. Ist der Akku7 voll aufgelagen, was nur eintreten kann, wenn aktuell mehr Energie geliefert als verbraucht wird, wird der MOSFET-Schalter6 geöffnet. Die Spannung UDC auf dem Gleichstrom­versorgungsstrang18 steigt solange an, bis die aktuelle Spannung U_B1 des saisonalen Speichers (Akku5) erreicht ist. Der saisonale Speicher (Akku5) wird dann auf den Gleichstromversorgungsstrang18 aufgeschaltet und nimmt die überschüssige Energie zum Laden auf. Wenn auch der saisonale Speicher (Akku5) vollgeladen ist, wird die Energiezufuhr vom Photovoltaik-Generator1 auf den Gleichstromversorgungsstrang18 auf den aktuellen Energieverbrauch reduziert, indem der DC/DC-Spannungswandler2 von der System­steuerung17 entsprechend angesteuert wird.The battery7 (daily storage) is connected to the DC power supply line18 via the MOSFET6 as long as this battery7 has an operating state in which it is neither full nor empty. If the battery7 is fully loaded, which can only occur if more energy is currently being supplied than is being consumed, the MOSFET switch6 is opened. The voltage UDC on the DC supply line18 rises until the current voltage U_{B1 of} the seasonal memory (battery5 ) is reached. The seasonal memory (battery5 ) is then connected to the direct current supply line18 and absorbs the excess energy for charging. If the seasonal memory (battery5 ) is fully charged, the energy supply from the photovoltaic generator1 to the direct current supply line18 is reduced to the current energy consumption by the DC / DC voltage converter2 being controlled accordingly by the system controller17 .

Sinkt die Erzeugungsleistung des Photovoltaik-Generators1 unter den Leistungsbedarf des Verbrauchers und ist der Tagesspeicher mit dem Sekundär-Akkumulator7 nicht leer, wird der Verbraucher16 aus diesem Akku7 versorgt. Erst wenn dieser leer ist, wird Energie aus dem saisonalen Speicher mit dem Sekundär-Akkumulator5 bereitgestellt. Ist auch dieser leer, so sinkt die Spannung U_DC auf dem Gleichstromversorgungsstrang18 weiter ab. Wenn sie die Spannung U_B3 der Primärbatterie9 unterschreitet, versorgt diese den Verbraucher16.If the generation power of the photovoltaic generator1 falls below the power requirement of the consumer and the daily storage with the secondary battery7 is not empty, the consumer16 is supplied from this battery7 . Only when this is empty is energy from the seasonal storage made available with the secondary accumulator5 . If this is also empty, the voltage U_DC on the DC power supply line18 drops further. If it falls below the voltage U_{B3 of} the primary battery9 , it supplies the consumer16 .

Der MOSFET4 für den saisonalen Speicher4 arbeitet als einstellbarer Widerstand, so daß eine Anpassung der Spannung U_DC zwischen dem Gleichstromversorgungsstrang18 und der Spannung U_B1 des saisonalen Speichers mit dem Akku5 ohne hohe Stromspitze möglich ist.The MOSFET4 for the seasonal memory4 works as an adjustable resistor, so that an adjustment of the voltage U_DC between the DC supply line18 and the voltage U_{B1 of} the seasonal memory with the battery5 is possible without a high current peak.

Der MOSFET-Schalter6 des Tagesspeicher-Akkus7 wird nach einer Öffnung jeweils dann geschlossen, wenn die Spannung U_DC des Gleichstromversorgungsstranges18 mit der aktuellen Spannungslage U_B2 des Tagesspeichers7 übereinstimmt. Damit werden Stromspitzen durch Ausgleichsströme beim Schalten verhindert.The MOSFET switch6 of the day storage battery7 is closed after opening in each case when the voltage U_{DC of} the direct current supply line18 matches the current voltage level U_{B2 of} the day storage7 . This prevents current peaks caused by compensating currents when switching.

Das Öffnen des MOSFET-Schalters6 erfolgt durch die zentrale Systemsteuerung17 bei Erreichen des Vollladezustands oder wenn der Tagesspeicher7 leer ist.The central system controller17 opens the MOSFET switch6 when the fully charged state is reached or when the daily memory7 is empty.

Die Spannung des Gleichstromversorgungsstrangs18 ist durch einen Kondensator11 stabilisiert, so daß auch bei Schaltvorgängen die kontinuierliche Stromversorgung des Verbrauchers16 sichergestellt ist.The voltage of the DC power supply line18 is stabilized by a capacitor11 , so that the continuous power supply to the consumer16 is ensured even during switching operations.

Die Spannungslage des Gleichstromversorgungsstranges18 kann in einem weiten Bereich schwanken. Der Verbraucher16 wird deshalb vorzugsweise über einen DC/DC-Spannungswandler15 mit konstanter Spannung versorgt.The voltage level of the DC power supply line18 can fluctuate over a wide range. The consumer16 is therefore preferably supplied with a constant voltage via a DC / DC voltage converter15 .

Um bei einem Ausfall des DC/DC-Spannungswandlers15 zur Versorgung des Verbrauchers16 die Spannungsversorgung aufrecht zu erhalten, ist ein den DC/DC-Spannungswandler15 umgehender Bypasszweig19 vorgesehen.In order to maintain the voltage supply in the event of a failure of the DC / DC voltage converter15 to supply the load16 , a bypass branch19 bypassing the DC / DC voltage converter15 is provided.

In dem Bypasszweig19 ist ein elektronischer Schalter12 vorgesehen, der durch einen selbstleitenden MOSFET gebildet ist, dessen Steuereingang (Gate) in Abhängigkeit von der Verbraucher-Spannung ansteuerbar ist, wie dies symbolisch durch die strichli­nierte Verbindung angedeutet ist.In the bypass branch19 , an electronic switch12 is provided, which is formed by a self-conducting MOSFET, the control input (gate) can be controlled in dependence on the consumer voltage, as is symbolically indicated by the dashed line connection.

Durch den selbstleitenden MOSFET12 wird der Bypasszweig19 erst bei Unterschreiten einer Schwellwertspannung am Verbraucher16 aktiv.Due to the self-conducting MOSFET12 , the bypass branch19 only becomes active when the voltage falls below a threshold value at the consumer16 .

In dem Bypaßzweig19 sind eine Zenerdiode und ein Vorwiderstand in Reihe zu dem selbstleitender MOSFET geschaltet, wobei die Verbraucherspannung zwischen Zenerdiode14 und Vorwiderstand13 abgegriffen ist. Durch diesen Spannungsteiler ist eine stabile Spannungsversorgung vorhanden, solange die Spannung am Gleichstrom­versorgungsstrang18 über der minimalen Verbraucherspannung liegt.In the bypass branch19 , a zener diode and a series resistor are connected in series with the self-conducting MOSFET, the consumer voltage between the zener diode14 and series resistor13 being tapped off. This voltage divider provides a stable voltage supply as long as the voltage on the DC supply line18 is above the minimum consumer voltage.

Mittels der Systemsteuerung17 kann der Ladezustand aller Speicher5,7,9 stets überwacht werden. Zum einen kann dadurch ein Lastmanagement vorgenommen werden, bei dem der Verbrauch soweit wie möglich auf die Mindestfunktionen reduziert werden kann und zum anderen kann dann auch frühzeitig ein Warnsignal an eine Wartungszentrale abgesetzt werden, die beispielsweise eine externe Aufladung des Systems durchführen kann.The charge status of all memories5 ,7 ,9 can always be monitored by means of the system control17 . On the one hand, this enables a load management to be carried out in which the consumption can be reduced to the minimum functions as much as possible, and on the other hand a warning signal can be sent to a maintenance center at an early stage, which can, for example, carry out an external charging of the system.

Außerdem kann durch die zentrale Systemsteuerung17 der Alterungs­zustand der Speicher5,7,9 überwacht werden. Kann einer der Speicher seine Funktion nicht mehr übernehmen oder wird z. B. eine deutliche Absenkung des Speicherwirkungsgrades festgestellt, müssen ggf. die anderen noch vorhandenen Speichersysteme die Aufgaben übernehmen. Auch hier kann die zentrale Systemsteuerung17 entscheiden, wie dringend eine außerplanmäßige Wartung notwendig ist bzw. ob das System bis zur nächsten planmäßigen Wartung noch betriebsbereit bleibt.In addition, the state of aging of the memories5 ,7 ,9 can be monitored by the central system controller17 . Can one of the memories no longer take over its function or will z. For example, if a significant reduction in storage efficiency is found, the other storage systems still available may have to take over the tasks. Here too, the central system controller17 can decide how urgently an unscheduled maintenance is necessary or whether the system remains operational until the next scheduled maintenance.

Da außer dem Kondensator11 jeweils nur ein Akku auf der Gleichstromversorgungsstrang18 aufgeschaltet ist, kann die Ladezustandbestimmung mit nur zwei Strommessungen unabhängig von der Zahl der Akkumulatoren durchgeführt werden. Mit Hilfe zweier insbesondere als Meßshunts ausgebildeter Strommesser3 beziehungs­weise 10 wird der Strom l_PV vom Erzeuger1 beziehungsweise der Strom I_V vor dem Verbraucher16 gemessen. Die Differenz dieser Ströme ergibt den jeweiligen Akkumulatorstrom.Since, in addition to the capacitor11 , only one battery is connected to the direct current supply line18 , the state of charge can be determined with only two current measurements regardless of the number of batteries. With the aid of two ammeters3 or 10, in particular designed as measuring shunts, the current I_PV from the generator1 or the current I_{V in} front of the consumer16 is measured. The difference between these currents gives the respective accumulator current.

Da über die zentrale Systemsteuerung17 auch der jeweilige Akkumulator aktiviert wird, kann für jeden Akku eine Ladezustands­bilanzierung durchgeführt werden.Since the respective accumulator is also activated via the central system control17 , a charge status can be carried out for each accumulator.

Während der Zeiten, in denen die Akkus freigeschaltet sind, wird der Ladezustand durch Extrapolation der Selbstentladung fort­geschrieben und steht für die Systemanalyse jederzeit zur Verfügung. Durch den Einsatz mehrerer Speicher können in Zeiten mit hohem Energieangebot auch gezielte Tests an den Speichern bzgl. ihrer noch verfügbaren Kapazität durchgeführt werden.During the times when the batteries are unlockedthe state of charge continues by extrapolating the self-dischargewritten and is available for system analysis at any timeAvailable. By using multiple memories at timeswith high energy supply also targeted tests on the storage tanksregarding their still available capacity.

Als Sekundär-Akkumulatoren5,7 können entsprechend ihren jeweils speziellen Eigenschaften verschiedene Akkutechnologien eingesetzt werden. Beispielsweise ist der Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus, Lithium-Polymer-Akkus, Nickel-Metall-Hydrid-Akkus, Nickel-Cadmium-Akkus, Bleiakkus, Blei-Gel-Akkus, RAM-Akkus, Goldcap-Akkus und dergleichen möglich. Für die Primärbatterie9 kommen wegen ihrer hohen Bereitschaftslebensdauer bevorzugt Lithiumbatterien zur Anwendung.Different battery technologies can be used as secondary batteries5 ,7 according to their respective special properties. For example, the use of lithium ion batteries, lithium polymer batteries, nickel metal hydride batteries, nickel cadmium batteries, lead batteries, lead gel batteries, RAM batteries, gold cap batteries and the like is possible. Lithium batteries are preferably used for the primary battery9 because of their long standby life.

Die zentrale Systemsteuerung17 überwacht alle Schalterstellungen der elektronischen Schalter4,6 und steuert diese auch an.The central system controller17 monitors all switch positions of the electronic switches4 ,6 and also controls them.

Zusätzlich werden Ladezustand und Alterungszustand der Speicher5,7,9 bestimmt und das Energiemanagement für den Verbraucher16 durchgeführt. Strom-, Spannungs- und Temperaturmessungen werden ebenfalls von der zentralen Systemsteuerung17 vorgenommen. Für die einzelnen Speichertechnologien können jeweils angepasste Lade- und Betriebsführungsstrategien umgesetzt werden.In addition, the state of charge and the state of aging of the memories5 ,7 ,9 are determined and the energy management for the consumer16 is carried out. Current, voltage and temperature measurements are also carried out by the central system controller17 . Adapted charging and operational management strategies can be implemented for the individual storage technologies.

Mit dem vorliegenden Konzept können zuverlässige Stromversorgungen unter Einsatz verschiedener Speichertechnologien eingesetzt werden. Damit ergibt sich eine hohe Betriebszuverlässigkeit und bei geeigneter Auswahl der Akkumulatoren und der jeweiligen Betriebs­führungsstrategie kann eine lange, wartungsfreie Systemlebensdauer erreicht werden.With the present concept, reliable power supplies canusing different storage technologies.This results in a high level of operational reliability andappropriate selection of the accumulators and the respective operationmanagement strategy can have a long, maintenance-free system lifecan be achieved.

Claims (13)

Translated fromGerman

1. Stromversorgungs-Einrichtung mit einem Photovoltaik-Generator sowie mit von dem Generator gespeisten Akkumulatoren, an die ein Verbraucher angeschlossen ist,dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sekundär-Akkumulatoren (5,7) unterschiedlicher Technologie vorgesehen sind und daß jeweils ein oder mehrere Sekundär-Akkumulatoren (5,7) gleicher Technologie mittels einer Systemsteuerung (17) wahlweise über Schalter (4,6) an einen mit dem Generator (1) und dem Verbraucher (16) verbundenen Gleichstromversorgungsstrang (18) schaltbar sind.1. Power supply device with a photovoltaic generator and with batteries fed by the generator, to which a consumer is connected,characterized in that a plurality of secondary batteries (5 ,7 ) of different technology are provided, and that in each case one or more secondary Accumulators (5 ,7 ) of the same technology can be switched by means of a system control (17 ) optionally via switches (4 ,6 ) to a direct current supply line (18 ) connected to the generator (1 ) and the consumer (16 ).2. Stromversorgungs-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Sekundär-Akkumulatoren (5,7) eine Primär-Batterie (9) an den Gleichstromversorgungs­strang (18) angeschlossen ist, insbesondere entkoppelt über eine Diode (8).2. Power supply device according to claim 1, characterized in that in addition to the secondary batteries (5 ,7 ) a primary battery (9 ) to the DC power supply (18 ) is connected, in particular decoupled via a diode (8 ).3. Stromversorgungs-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung von dem Photovoltaik-Generator (1) zu dem Gleichstromversorgungsstrang (18) und in der Zuleitung zum Verbraucher (16) jeweils ein Strommesser (3,10), insbesondere Strom-Meßshunte vorgesehen sind, die mit der Systemsteuerung (17) verbunden sind.3. Power supply device according to claim 1 or 2, characterized in that in the supply line from the photovoltaic generator (1 ) to the direct current supply line (18 ) and in the supply line to the consumer (16 ) each have an ammeter (3 ,10 ), in particular current measuring shunts are provided which are connected to the system control (17 ).4. Stromversorgungs-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (4,6) zwischen dem Gleichstromversorgungsstrang (18) und dem jeweiligen Sekundär-Akkumulatoren (5,7) elektronische Schalter (4,6), insbesondere selbstsperrende MOSFETS sind, die mit der Systemsteuerung (17) in Steuerverbindung stehen.4. Power supply device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the switches (4 ,6 ) between the DC power supply line (18 ) and the respective secondary batteries (5 ,7 ) electronic switches (4 ,6 ), in particular are self-locking MOSFETS that are in control connection with the system controller (17 ).5. Stromversorgungs-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung zwischen Gleichstromversorgungsstrang (18) und Verbraucher ein DC/DC-Spannungswandler (15) vorgesehen ist.5. Power supply device according to one of claims 1 to 4, characterized in that a DC / DC voltage converter (15 ) is provided in the supply line between the DC supply line (18 ) and the consumer.6. Stromversorgungs-Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem in der Zuleitung zwischen Gleichstromversorgungsstrang (18) und Verbraucher (16) vorgesehene DC/DC-Spannungswandler (15) ein Bypaßzweig (19) mit einem von der Versorgungsspannung am Verbraucher (16) gesteuerten elektronischen Schalter (12) vorgesehen ist.6. Power supply device according to claim 5, characterized in that to the in the supply line between the DC supply line (18 ) and consumer (16 ) provided DC / DC voltage converter (15 ) has a bypass branch (19 ) with one of the supply voltage at the consumer (16 ) controlled electronic switch (12 ) is provided.7. Stromversorgungs-Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (12) im Bypaßzweig (19) ein selbstleitender MOSFET ist, dessen Steuereingang (Gate) in Abhängigkeit von der Verbraucher-Spannung ansteuerbar ist.7. Power supply device according to claim 5 or 6, characterized in that the electronic switch (12 ) in the bypass branch (19 ) is a self-conducting MOSFET, whose control input (gate) can be controlled as a function of the consumer voltage.8. Stromversorgungs-Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bypaßzweig (19) eine Zenerdiode (14) und ein Vorwiderstand (13) in Reihe zu dem selbstleitender MOSFET (12) geschaltet sind und daß die Verbraucherspannung zwischen Zenerdiode und Vorwiderstand abgegriffen ist.8. Power supply device according to one of claims 5 to 7, characterized in that in the bypass branch (19 ) a Zener diode (14 ) and a series resistor (13 ) are connected in series to the self-conducting MOSFET (12 ) and that the consumer voltage between Zener diode and series resistor is tapped.9. Stromversorgungs-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung zwischen Photovoltaik-Generator (1) und dem Gleichstromversorgungs­strang (18) ein mit der Systemsteuerung (17) in Steuer­verbindung stehender DC/DC-Spannungswandler (2) vorgesehen ist.9. Power supply device according to one of claims 1 to 8, characterized in that in the feed line between the photovoltaic generator (1 ) and the direct current supply strand (18 ) with the system controller (17 ) in control connection DC / DC voltage converter (2 ) is provided.10. Stromversorgungs-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an den Gleichstromversorgungs­strang (18) ein Pufferkondensator (11) angeschlossen ist.10. Power supply device according to one of claims 1 to 9, characterized in that a buffer capacitor (11 ) is connected to the DC power supply strand (18 ).11. Stromversorgungs-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Sekundär-Akkumulatoren (7) als Tagesspeicher und zumindest ein weiterer Sekundär-Akkumulatoren (5) als saisonaler Speicher konzipiert sind.11. Power supply device according to one of claims 1 to 10, characterized in that at least one secondary accumulators (7 ) are designed as daily storage and at least one further secondary accumulators (5 ) are designed as seasonal storage.12. Stromversorgungs-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemsteuerung (17) zur Ladezustandsbestimmung der einzelnen Sekundär-Akkumulatoren (5,7), zur Steuerung des an den Photovoltaik-Generator (1) angeschlossenen DC/DC-Spannungswandlers (2), zur ladezustands­abhängigen Zu- und Abschaltung der Sekundär-Akkumulatoren (5,7), zum Lastmanagement, zur Durchführung von Akkutests, zur Überprüfung des Alterungszustands der Sekundär-Akkumulato­ren (5,7) und dergleichen ausgebildet ist.12. Power supply device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the system controller (17 ) for determining the state of charge of the individual secondary batteries (5 ,7 ), for controlling the DC / DC connected to the photovoltaic generator (1 ) -Voltage converter (2 ), for the charge-dependent switching on and off of the secondary batteries (5 ,7 ), for load management, for performing battery tests, for checking the aging status of the secondary batteries (5 ,7 ) and the like.13. Stromversorgungs-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Sekundär-Akkumulatoren (5,7) Lithium-Ionen-Akkus, und/oder Lithium-Polymer-Akkus, und/oder Nickel-Metall-Hydrid-Akkus, und/oder Nickel-Cadmium-Akkus, und/oder Bleiakkus, und/oder RAM-Akkus, und/oder Goldcap-Akkus vorgesehen sind.13. Power supply device according to one of claims 1 to 12, characterized in that as secondary batteries (5 ,7 ) lithium-ion batteries, and / or lithium-polymer batteries, and / or nickel-metal hydride Batteries, and / or nickel-cadmium batteries, and / or lead batteries, and / or RAM batteries, and / or gold-cap batteries are provided.