DE102004037329A1

DE102004037329A1 - Kompakte autarke Stromversorgungseinrichtung für mobile Kleingeräte

Info

Publication number: DE102004037329A1
Application number: DE102004037329A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Lang
Original assignee: Solarc Innovative Solarprodukte GmbH
Current assignee: Solarc Innovative Solarprodukte GmbH
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-03-23
Also published as: US20080315825A1; WO2006012871A2; WO2006012871A3; EP1782520A2

Abstract

Zur autarken Stromversorgung mobiler elektrischer Kleingeräte sind verschiedene Entwicklungen aus dem Stand der Technik bekannt, die jedoch entweder umständlich oder mit langen Ladezeiten behaftet oder an jeweils nur ein einziges Kleingerät angepasst sind. die erfindungsgemäße autarke Stromversorgungseinrichtung beruht auf einem modularen Konzept, wobei ein energieautarkes Generatormodul mit jeweils gerätespezifischen, austauschbaren Akku/Elektronikmodulen verbunden ist, in denen ein zum Kleingerät passender Zusatzakku in kurzer Zeit aufgeladen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kompakte autarke Stromversorgungseinrichtung zum netzunabhängigen Betrieb mobiler Kleingeräte mit zumindest einem netzautarken Generator, einer Regelelektronik und einer Aufnahmevorrichtung für aufladbare Batterien.
Für den Betrieb von mobilen Kleingeräten, insbesondere von Mobiltelefonen und Organizern (PDA), stellt die Energieversorgung ein zunehmendes Problem dar, da zwar einerseits die in den Geräten verwendeten Schaltkreise energiesparender werden, die Komplexität und Funktionalität der Geräte jedoch zunimmt und dadurch der reale Energiebedarf im Vergleich zu früheren Gerätegenerationen eher steigt. Gleichzeitig hat die Mobilität der Nutzer stark zugenommen und damit die Notwendigkeit, verschiedene mitgeführte elektrische Geräte auch in entlegenen Regionen oder in Verkehrsmitteln ohne Netzstromanschluss ständig zu benutzen.

Aufgrund dieser Tendenz sind in den letzten Jahren zahlreiche Entwicklungen und Erfindungen entstanden, die eine weitere Energiequelle auf Basis von Primärbatterien, Brennstoffzellen oder Solarzellen zur Verlängerung der Betriebsdauer des Kleingerätes bereitstellen. Insgesamt lassen sich die vorgeschlagenen und realisierten Entwicklungen auf dem aktuellen Stand der Technik wie folgt einteilen:

A) Externe Energieversorgungseinrichtungen mit aufladbarem Zwischenspeicher und entsprechender Regelelektronik: Hier wird die von einer externen Energiequelle, z.B. einem Solargenerator erzeugte Energie zunächst zwischengespeichert und anschließend oder auch währenddessen in das Kleingerät über ein Verbindungskabel übertragen. Am Kleingerät selbst wird keinerlei konstruktive Veränderung vorgenommen. Nachteilig dabei ist der relativ hohe Energieverlust durch die Zwischenspeicherung und der Zwischenspeicher selbst als teure Zusatzkomponente. Beispiele hierfür sind die Anmeldung DE 199 28 809 A1 oder das Solarladegerät iSun der kanadischen Firma ICP Global.
B) Externe Energieversorgungseinrichtungen mit Primär-Zwischenspeicher: Im Gegensatz zu A) wird anstelle der Kombination Generator + Zwischenspeicher ein Primärenergiespeicher, z.B. eine hochkapazitive Li- oder Zn-Luft Primärbatterie verwendet, die nach dem Entladevorgang ins Kleingerät entsorgt und durch eine neue Batterie ersetzt werden muss. Nachteilig ist hier verständlicherweise der unerwünschte Einsatz von Einmal-Komponenten unter Aspekten der weltweiten Ressourcenverknappung und Umweltverschmutzung. Beispiele: Produkte der US/Israelischen Firma Electric Fuel.
C) Einrichtungen ähnlich A), jedoch entweder ohne Zwischenspeicher oder, soweit vorhanden, als Ersatz des im Kleingerät befindlichen Energiespeichers. Diese Einrichtungen werden üblicherweise direkt am Kleingerät angebracht und übertragen über Kontaktierungseinrichtungen die erzeugte Energie. Nachteilig sind eine umständliche Handhabung, das im Falle eines Solargenerators unerwünschte Aussetzen des Kleingerätes der Sonne und damit verbundener Wärmeentwicklung und die konstruktive Festlegung auf ein einziges Kleingerät. Ein weiterer Nachteil ist auch die Tatsache, dass das Kleingerät während des im Falle eines Solargenerators langwierigen Ladevorganges nicht beliebig benutzt werden kann, da es im Sonnenlicht stehen muss. Ein Beispiel hierfür ist die Patentanmeldung DE 198 26 923 A1 .
D) Einrichtung ähnlich C), jedoch als Bestandteil des Kleingerät vorgesehen und daher mit konstruktiven Änderungen und auch Einbeziehung in das vorhandene Lade- und Energiemanagementsystem des Kleingerätes verbunden. Bis auf die Handhabung entstehen hier die gleichen Nachteile wie bei C). Beispiele hierfür sind das Nokia Handy Typ 1611 (Markteintritt ca. 1998), Entwicklungen des Fraunhofer Instituts ISE für diverse Handies und PDAs in den Jahren 1998-2000 oder von der Firma Motorola für Handies mit Brennstoffzellen. Beispiele aus der Patentliteratur sind die Anmeldungen GB 2 379 131 A oder WO 0 165 711.

Eine weitere Klasse von Stromversorgungseinrichtungen gehört eigentlich nicht in die vorangegangene Aufzählung, da der Aspekt netzautark nicht zutrifft, sie bildet jedoch ebenso eine der Grundlagen für die vorliegenden Erfindung: Netzladeeinrichtungen für Zweitakkus, speziell im Zubehörsortiment einiger Mobiltelefone zu finden. Neben der nicht vorhandenen Netzunabhängigkeit ist der Nachteil dieser Einrichtungen wie in D) die konstruktive Festlegung auf einen Handytyp bzw. dessen Akku.

Alle oben genannten Einrichtungen weisen somit mindestens eines der folgenden Probleme auf, insbesondere beim Einsatz von Solargeneratoren:

– für den praktischen Einsatz nicht funktionell handhabbar (umständliche Kontaktierung (z.B. nach Herausnahme des Original-Geräteakkus), umständliches Auffalten eines Solargenerators, Aussetzen des Kleingerätes dem Sonnenlicht, dadurch keine ständige Benutzung möglich, etc.)
– Verlustbehafteter und damit langandauernder Ladevorgang im Falle eines externen Zwischenspeichers, der nur durch überdimensionierte Komponenten verkürzt werden kann
– Zu geringer Ladestrom durch zu geringe Solarzellenfläche im Falle der Gehäuseintegration in moderne mobile Kleingeräte, sowie dabei Schädigung des Akkus durch Wärmeentwicklung
– Konstruktive Festlegung auf einen zu versorgenden Kleingeräte- oder Akkutyp

Die Versorgung des Kleingerätes durch die Stromversorgungseinrichtung soll vielmehr in einer praktischen, einfach handhabbaren Form, innerhalb einer vernünftigen Zeitspanne und ohne konstruktive Änderung des Kleingerätes geschehen. Vor allem soll dabei auch die Möglichkeit bestehen, verschiedene Kleingeräte mit derselben Einrichtung zu versorgen. Dies bildet die Aufgabe für die vorliegende Erfindung, wobei der nächstliegende Stand der Technik Geräte der oben genannten Kategorie A) sind.

Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe wird durch die Konstruktion einer modularen Einheit aus einem Basis-Generatormodul und einem über eine Kontaktvorrichtung damit elektrisch verbundenen, abnehmbar angebrachten gerätespezifischen Akku/Elektronikmodul mit angepasster Regelelektronik und Akku-Ladeschale für zumindest einen Zusatzakku des Kleingerätes bereitgestellt. Das Akku/Elektronikmodul ist dabei hinsichtlich Ladeschale und Regelelektronik auf einen bestimmten Kleingerätetyp angepasst und kann mit einem Handgriff gegen ein auf einen anderen Kleingerätetyp angepasstes Modul ausgetauscht werden. Der Akku für das Kleingerät soll (z.B. im Falle eines Solargenerators bei voller Sonneneinstrahlung) in wenigen Stunden vollgeladen sein und kann dann vom Benutzer leicht in dieses anstelle des leeren Akkus eingelegt werden. Der leere Akku wird dann wiederum in die Ladeschale zum Nachladen eingelegt, während das Kleingerät beliebig genutzt werden kann. Entscheidend dabei ist die konstruktive Auslegung der jeweiligen Regelelektronik einerseits auf den immer gleichen Solargenerator und die verschiedenen Akkutypen hinsichtlich Ladespannung, -strom und -algorithmus. Durch die feste Integration der Elektronik in eine Lademodul mit unverwechselbarer Ladeschale kann im Normalfall keine Verwechslung und damit ggf. Schädigung eines nicht für dieses Modul vorgesehenen Akkus passieren, da die Kleingeräte-Akkus sich hinsichtlich Bauform und Kontaktpositionen üblicherweise eindeutig voneinander unterscheiden. Das Prinzip der direkten Ladung eines Zusatzakkus birgt im übrigen gegenüber der Ladung im Kleingerät über die dort vorhandene Ladeelektronik den Vorteil der wesentlich effektiveren Ladung, da in fast allen Kleingeräten auf ein Low-Power Schaltungsdesign des Lademanagements verzichtet und daher beim Laden meist ein Vielfaches des Standby-Stroms sinnlos verbraucht wird.

Eine nützliche Weiterbildung der Erfindung ist die Ausstattung des Akku/Elektronikmoduls mit einem Ladeanschluss für das vorhandene Netzladegerät des Kleingerätes. Damit ist auch eine Nachladung des Akkus ohne Verwendung des Generators, z.B. im Falle eines Solargenerators bei schlechten Wetterbedingungen, möglich. Betrachtet man das reine Akku/Lademodul, so ist dieses dann vergleichbar mit den im Stand der Technik beschriebenen Ladegeräten für Handy-Zweitakkus.

Weiterhin sind anstelle von Akku/Elektronikmodulen für kleingerätespezifische Akkus auch Akku/Elektronikmodule für handelsübliche Standardakkus denkbar, z.B. für NiMH/NiCd oder RAM Zellen der Größen AA (Mignon) oder AAA (Micro). Die Regelelektronik ist ebenso wie bei den speziellen Kleingeräte-Akkus auf die Anforderungen der jeweiligen Standardakkus anzupassen. Als Netzgerät für derartige Module können handelsübliche Universalnetzgeräte vorgesehen werden, die z.B. über einen Hohlsteckeranschluss in diesem Modul kontaktiert werden.

Die Regelelektronik enthält idealerweise eine Schaltung zur Spannungspegelanpassung zwischen dem Arbeitspunkt (MPP) des Solargenerators und der gerade benötigten Ladespannung des Akkus. Dies kann z.B. mit Hilfe eines hocheffizienten DC/DC-Wandlers erfolgen. Weiterhin sollte die Schaltung die für den jeweiligen Akkutyp vorgeschriebenen Ladeparamater bzw. Ladealgorithmen generieren, wie z.B. bei Li-Ionen Akkus Strom- und Spannungsbegrenzung, Temperaturabfrage mit entsprechender Regelung von Spannung und Strom, Abschaltung nach Restladungs-Bilanzierung etc.. Ebenso sollte der Anschluss eines externen Netzteils berücksichtigt werden. Vorteilhaft ist hierbei die Verwendung eines frei programmierbaren Mikroprozessors mit entsprechenden Peripheriebausteinen (z.B. in einem Mikrocontroller μC integriert), wodurch die Elektronikschaltung in allen Akku/Elektronikeinheiten gleich ausgeführt sein kann und nur die Prozessor-Software entsprechend angepasst ist. Zur Ladekontrolle sowie zum Monitoring des Ladezustands können z.B. LEDs oder ein LCD-Display eingesetzt werden. Weiterhin ist eine Anbindung über eine PC-Schnittstelle, z.B. über USB, denkbar, um einerseits eine externe Energieversorgung zu erreichen und andererseits Daten bezüglich des Lademanagements mit dem PC auszutauschen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist die Ausgestaltung des Generatormoduls als aufklappbare Solargenerator-Einheit aus zumindest einem Solarmodul, das zum Laden aufgeklappt in die Sonne gestellt und zum Transport flach zusammengeklappt wird. Dabei ist das Akku/Elektronikmodul an der Rückseite des Solargeneratormoduls angeordnet, um eine Abschattung des Akkus von der Sonne zu erreichen. Das Akku/Elektronikmodul kann vorteilhafterweise direkt über metallische Scharnierstifte mit dem Solargeneratormodul kontaktiert und auch hierüber ein- und ausgehängt werden. Die beschriebene Anordnung sollte robust und UV-stabil ausgeführt sein, um einen sicheren Betrieb auch bei häufiger Benutzung zu gewährleisten. Dies betrifft insbesondere den Solargenerator, da dieser durch die beliebige modulare Anbindung über viele Jahre auch für nachfolgende Kleingerätegenerationen mit jeweils neuen Akku/Elektronikmodulen verwendet werden kann. Für den Solargeneator werden sinnvollerweise hocheffiziente Solarzellen mit Wirkungsgraden oberhalb 15% verwendet (z.B. mono- oder polykristallines Silizium), um eine möglichst kompakte Bauweise zu erzielen.

Durch die Modularität des Systems ist natürlich auch der Einsatz weiterer Solargeneratormodule mit anderen Leistungsdaten und Abmessungen möglich. Insbesondere können auch andere Arten von Generatoren wie z.B. Wind- Kurbel- oder Brennstoffzellengeneratoren eingesetzt werden, die mechanisch und elektrisch an das System angepasst sind.

In einer weiteren Ausbildung kann die Stromversorgungseinrichtung mit einem elektronischen Hochsetzsteller versehen werden, der schaltungsmäßig hinter dem Akku angeordnet ist und die Akkuspannung in eine höhere Spannung umwandelt, die über einen Anschluss und ein externes Ladekabel dem Kleingerät zugeführt wird. Damit wird zwar wieder das indirekte Ladeprinzip gemäß Kategorie A) mit den oben beschriebenen Nachteilen angewandt, manche Benutzer könnten jedoch die Handhabung über eine einfache Kabelverbindung gegenüber dem etwas umständlicheren Austauschen des Akkus vorziehen. In jedem Fall hat man die Wahl zwischen beiden Methoden. Wird die genannte Zusatzeinrichtung über denselben Anschluss geführt, der auch für das externe Netzteil vorgesehen ist, so muss hier ein Schalter vorgesehen werden, mit dem zwischen einer Aufladung des internen Akkus über den Anschluss und einer Entladung über ein externes Kabel in das Kleingerät umgeschaltet wird.

Beispielhafte Ausbildungsformen der autarken Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung werden zu deren weiterem Verständnis nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine seitliche Gehäusedarstellung der Einrichtung mit Solargeneratormodul in aufgeklappter Form
2 eine Gehäusedarstellung der Einrichtung mit Solargeneratormodul, von hinten
3 eine Gehäusedarstellung der Einrichtung mit Solargeneratormodul in zusammengeklappter Form
4 ein Blockschaltbild der elektrischen Komponenten
Die 1 zeigt eine Seitenansicht des prinzipiellen Aufbaus einer autarken Stromversorgungseinrichtung 1 nach der Erfindung. In dem Beispiel sind 2 Solargeneratoren (2a, 2b) im aufgeklappten Zustand gezeigt, die das Generatormodul bilden und über die Scharniere (6) mit jeweils enthaltener Kontaktiervorrichtung (9), z.B. über die Scharnierstifte, miteinander sowie mit dem Akku/Elektrronikmodul (3) mechanisch und elektrisch verbunden sind. Seitlich ist der Anschluss (4) für ein externes Netzgerät zu sehen, sowie 2 LEDs (5), z.B. zur Anzeige des vollgeladenen Zustands und eines Ladestroms. Die Stromversorgungseinrichtung (1) ist im gezeigten Beispiel so ausgerichtet, dass das Sonnenlicht exakt auf die beiden Solarmodule (2a,2b) einstrahlt.
In 2 ist die Stromversorgungseinrichtung (1) aus 1 von hinten dargestellt, wobei innerhalb des Akku/Elektronikmoduls (3) die Lage des Elektronikteils (8) und des Akkufachs (7a) mit eingelegtem Akku (7) gestrichelt angedeutet ist.
3 zeigt die Stromversorgungseinrichtung (1) nochmals in der gleichen seitlichen Ansicht wie 1, allerdings in zusammengeklappter Form. Dabei sind die beiden Solarmodule (2a, 2b) wie ersichtlich mit den lichtempfindlichen Flächen zueinander geklappt, damit diese beim Transport vor Verkratzen geschützt sind.
In 4 ist das Blockschaltbild der Stromversorgungseinrichtung (1) mit allen zuvor beschriebenen Komponenten dargestellt. Das Generatormodul (2) enthält einen netzautarken Generator (10), z.B. ein Solarmodul, eine Brennstoffzelle oder einen Kurbelgenerator. Entsprechend den 1-3 können auch mehrere Generatoren vorhanden sein, die dann parallel verschaltet sind und über die Kontaktiervorrichtung 9 miteinander und mit dem Akku/Elektronikmodul verbunden sind. In diesem wird ggf. zunächst über den gezeigten Schaltungsteil (11) eine Anpassung zwischen dem Generator-MPP und der Akku-Ladespannung vorgenommen. Diesem nachgeschaltet ist der analog/digitale Regelungsteil (12) mit Mikroprozessor und entsprechender Peripherie, um die Ein- und Ausgangsströme vom und zum Akku (7) im Akkufach (7a), vom externen Ladeeingang (4) sowie ggf. zum DC/DC-Wandler (13) zu regeln und darüberhinaus digitale Signale an die LED- oder LCD-Anzeige und ggf. an die PC-Schnittstelle (14) zu senden bzw. von dort zu empfangen. Der PC-Anschluss (14) kann dabei auch als Energiequelle benutzt werden. Der Anschluss (15) dient zum Laden des Kleingerätes über ein externes Ladekabel zwischen der Stromversorgungseinheit (1) und dem Kleingerät, wobei der DC/DC-Wandler (13) die hierfür erforderliche höhere Ladespannung bereitstellt.

1: autarke Stromversorgungseinrichtung
2: Generatormodul
3: Akku/Elektronikmodul
4: Anschluss Netzgerät oder externe Energiequelle
5: LED- oder LCD-Anzeige
6: Scharnier
7: Akku
7a: Akkufach
8: Elektronikteil
9: Kontaktvorrichtung
10: Solarmodul
11: MPP-Regler bzw. Wandler
12: Mikroprozessor + Peripherie
13: Gleichspannungswandler
14: Anschluss PC-Schnittstelle
15: Anschluss Ladekabel für Kleingerät
L: Lichteinfall

Claims

Kompakte autarke Stromversorgungseinrichtung zum netzunabhängigen Betrieb mobiler Kleingeräte mit zumindest einem netzautarken Generator, einer Regelelektronik und einer Aufnahmevorrichtung für aufladbare Batterien, gekennzeichnet durch die Auslegung als modulare Einheit aus einem Basis-Generatormodul (2, 2a, 2b) und einem über eine Kontaktvorrichtung (9) damit elektrisch verbundenen, abnehmbar angebrachten gerätespezifischen Akku/Elektronikmodul (3) mit angepasster Regelelektronik (8) und Akku-Ladeschale (7) für zumindestens einen Zusatzakku (7a) des Kleingerätes.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausstattung des Akku/Elektronikmoduls (3) mit einem Ladeanschluss (4) für das standardmäßig vorhandene Netzladegerät des Kleingerätes.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch die Ausführung von universellen Akku/Elektronikmodulen (3) zur Ladung handelsüblicher Standardakkus.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronikteil (8) einen Spannungsumsetzer (11) enthält, der die Leistung vom idealen Generator-Arbeitspunkt (MPP) auf die aktuelle Akku-Ladespannung mit hohem Wirkungsgrad überträgt, desweiteren einen Regelteil (12) zur Laderegelung des Akkus (7) nach den dafür vorgeschriebenen Parametern sowie zur Steuerung eines Ladestroms über den Ladeanschluss (4).
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronikteil (8) einen frei programmierbaren Mikroprozessor mit Peripheriebausteinen (12) enthält.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung von LED- oder LCD-Anzeigeelementen (5) zur Anzeige des Ladevorgangs, des Akku-Ladezustands und weiterer Funktionen.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatormodul (2) aus zumindest einer aufklappbaren Einheit (2a, 2b) mit darin integriertem Solarmodul (10) besteht, die über eine Scharniervorrichtung (6) mit dem Akku/Elektronikmodul (3) verbunden ist und dieses im aufgeklappten Zustand von der Sonneneinstrahlung (L) abschattet.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Brennstoffzellen-, Wind- oder Kurbelgenerators im Generatormodul (2).
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Ausstattung mit einer PC-Schnittstelle (14) zur Übertragung von Daten und/oder Energie vom oder zum PC.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Akku/Elektronikmodul (3) einen dem Zusatzakku (7) nachgeordneten Hochsetzsteller (13) sowie einen Anschluss (15) enthält, so dass das Kleingerät über eine Kabelverbindung aus dem Zusatzakku (7) geladen oder betrieben werden kann.