DE102006021340A1 - Schaltungsaufbau zur optimierten Steuerung von UltraCap-Kondensatoren, zum Einsatz für die Konstanthaltung von Spannung und Stromversorgung mit integriertem Kurzzeit-Ausfallschutz in Stromverbrauchersystemen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltungsaufbau zur optimierten Steuerung von UltraCap-Kondensatoren zum Einsatz für die Konstanthaltung von Spannungen und Stromversorgung mit integriertem Kurzzeit-Ausfallschutz in Stromverbrauchersystemen, wie zum Beispiel in Telekommunikationsanlagen oder Geräten der Luft- und Raumfahrt, ausgeführt als parallel zum Verbraucher gesetzte Schaltung, basierend auf einem Mikrocontroller, in dem über Steuerprogramme, die im Controllerspeicher hinterlegt sind, sowohl das Systemmanagement für die Steuerung und Überwachung als auch die bidirektionale DC/DC-Wandlersteuerung und eine aktive Symmetrierung ausgeführt werden, wobei gleichzeitig der Ladezustand und die Temperatur der Kondensatorspeicher überwacht und auch wartungsrelevante Daten über eine Diagnose- und Wartungsschnittstelle zum Zwecke der Fernwartung verfügbar gemacht werden.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Schaltungsaufbau zur optimierten Steuerung von UltraCap-Kondensatoren, zum Einsatz für die Konstanthaltung von Spannung und Stromversorgung mit integriertem Kurzzeit-Ausfallschutz in Stromverbrauchersystemen.
• Bedingt durch die zunehmende Zahl von Einspeisungen aus Solar-, Windkraftanlagen oder Kleinkraftwerken ins Stromnetz werden Spannungsschwankungen und auch kurzzeitige Unterbrechungen (sogenannte 'Dips') im Stromversorgungsnetz leider immer häufiger.
• Derartige 'Dips' können zum Beispiel in Telekomunikationsanlagen, die vermehrt für den Hochgeschwindikeits-Datentransport genutzt werden zu Datenverlusten führen und damit großen Schaden verursachen. Bei diesen Anlagen ist somit eine absolut unterbrechungsfreie Versorgung mit Spannung unumgänglich.
• Ein besonderes Problem stellt die Sicherstellung der unterbrechungsfreien Stromversorgung für den Betrieb der Mobilfunk-Sendeanlagen dar, die extremen Witterungseinflüssen ausgesetzt sind.
• Stand der Technik:
• Die bislang hier zum Einsatz gebrachten batterie- oder akkumulatorgestützten USV-Systeme sind sowohl entsprechend temperaturempfindlich und unterliegen dadurch Schwankungen in der Leistungsfähigkeit, als auch wartungsintensiv, vor allem was die Lebensdauer der eingesetzten Batterien bzw. Akkumulatoren betrifft. Dazu kommt zusätzlich der verhältnismäßig hohe Platzbedarf und das Gewicht des verwendeten USV-Systems, was sich gelegentlich bei der optimalen Standortauswahl für eine Sendestation als hinderlich erweist.
• Zusätzlich ist die Überbrückungszeit von > 30 minuten bis hin zu Stunden der herkömmlichen USV Anlagen bei dieser Anwendung gar nicht erforderlich, sondern hier soll vorrangig vor Kurzausfällen, eben jener 'Dips' geschützt werden.
• Eine Alternative zu Batterien oder Akkumulatoren können die neuen, die sogenannten UltraCaps bieten (siehe Trueb/Rüetschi: "Batterien und Akkumulatoren – Mobile Energiequellen für heute und morgen", Springer-Verlag Berlin). Diese zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus und können wie eine Batterie mit extrem niedrigem Innenwiderstand eingesetzt werden. Solche UltraCaps werden teilweise bereits zur Kurzzeit-Ausfall-Überbrückung in Mobilfunk-Sendeanlagen eingesetzt, indem sie parallel zum Verbraucher in die Stromversorgung eingebunden werden.
• Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass durch die unkontrollierte Energieentnahme aus dem Kondensator, die effektive Energieausbeute nur einen Teil der tatsächlichen verfügbaren Energiemenge nutzbar machen kann. Ebenso kann durch diese Art der Energieentnahme der Kondensator geschädigt oder zumindest seine Lebenserwartung drastisch reduziert werden.
• Aufgabenstellung:
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Stromversorgung zu schaffen, die ebenfalls in der Lage ist, kurzzeitige Versorgungsausfälle zu überbrücken und damit geeignet ist, bevorzugt in Telekomunikationseinrichtungen, insbesondere in Sendeanlagen für Mobiltelefonie, aber auch für andere Anwendungsbereiche der Stromausfallüberbrückung als Alternative zu batteriegestützen USV-Anlagen zum Einsatz zu kommen.
• Zielsetzung der Erfindung ist es, eine derartige Vorrichtung mit möglichst geringem Gewichts- und Platzbedarf zu schaffen, die auch bei extremen, witterungsbedingten Temperaturverhältnissen eine sichere und wartungsarme Stabilisierung und Aufrechterhaltung von Versorgungsspannungen gewährleistet. Aus diesem Grund soll die erfindungsgemäße Vorrichtung auf elektrochemischen Hochleistungskondensatoren als Energiespeicher basieren, der über eine geeignete Schaltung optimal geregelt werden kann.
• Dies bedeutet vor allem, die Lade- und Entladephasen der Kondensatorbatterie innerhalb des optimalen Bereichs seiner Kennlinie zu überwachen und zu steuern und damit eine größtmögliche Energieausbeute und maximale Lebensdauer der Kondensatoren zu erzielen.
• Lösungsbeispiel:
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus mehreren Komponenten entsprechend 1:
• A) Stromspeicher
• Als Stromspeicher für die Ausfallversorgung sollen elektrochemische Hochleistungskondensatoren, sogenannte UltraCaps entsprechend dem aktuellen Stand der Technik zur Anwendung kommen. UltraCaps haben im Vergleich zu anderen Kondensatoren eine enorm große Energiedichte und eine Lade- bzw. Entladezeit von etwa 0,1 Sekunden bis zu mehreren Minuten. Sie eignen sich deswegen besonders gut als Kurzzeitspeicher. UltraCaps haben eine durchschnittliche Lebensdauer von ca. 10 Jahren und sind damit gegenüber Akkumulatoren im Vorteil. Bei entsprechender Ansteuerung und Regelung sind UltraCaps wartungsfrei und arbeiten auch in einem breiten Temperaturbereich ohne nennenswerten Leistungsverlust. Durch Anordnung einer beliebigen Anzahl von UltraCaps in Reihen- und/oder Parallelschaltungen können bedarfsgemäße elektrische Spannungen und Stromstärken zur Verfügung gestellt werden.
• B) Microcontroller-Baustein
• Handelsüblicher Microcontroller, in dem folgende Funktionen programmmäßig realisiert sind:
• • B1) Bidirektionale Wandlerschaltung Der Ladungsausgleich zwischen dem Energiespeicher und der regulären Stromversorgung erfolgt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung über eine bidirektionale DC/DC Wandlerschaltung. Bidirektionale Wandlerschaltungen entsprechen dem Stand der Technik, bestehen aber in der üblichen Form aus einer Vielzahl, miteinander festverdrahteter Bauteile. Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Ausführung besteht darin, dass diese Wandlersteuerung über ein im Speicher des Microcontrollers hinterlegtes Programm ausgeführt ist, wodurch nur noch die Leistungsbauteile als periphere Bauteile zusätzlich erforderlich sind. Dadurch lassen sich gegenüber den, dem Stand der Technik entsprechenden bidirektionalen Wandlerschaltungen, zum einen die für den Schaltungsaufbau benötigten Bauteile deutlich reduzieren und zum anderen kann die Microcontrollergesteuerte Schaltung ohne Änderung der Hardware für ein wesentlich breiteres Anwendungsspektrum eingesetzt werden, da es in den meisten Fällen ausreichend sein wird, lediglich die Software, also das Steuerungsprogramm zu ändern.
• • B2) Das Systemmanagement als Kernstück des Microcontroller-Steuerungsprogramms. Dadurch wird der Microcontroller in die Lage versetzt die UltraCap-Energiespeicher mit einem programmierbaren Konstantstrom besonders schonend zu laden. Über dieses Systemmanagement erfolgt gleichzeitig eine
• • B3) aktive Symmetrierung der Kondensatorzellen, sowie eine permanente Überwachung von deren Temperatur und Kapazität mit Rückkopplung in die Steuereinheit. Erfolgt wegen einer Versorgungsunterbrechung ein Abruf aus dem UltraCap-Energiespeicher, also eine Entladung der Kondensatoren, so wird dieser Entladestrom durch das Systemmanagement auf die programmierte Ausgangsspannung das heißt, auf die Nennspannung des zu versorgenden Systems (z.B. 48 V Telekomspannung) stabilisiert. Durch diese kontrollierte und damit schonende Entladung kann das gesamte Energiepotential der UltraCap-Energiespeicher fast vollständig genutzt werden, das heißt, es steht fast das Doppelte der Energiemenge zur Verfügung als bei derzeit üblichen Verfahren. Da das intelligente Systemmanagement permanent den Ladezustand der UltraCap- Energiespeicher überprüft, kann dieser und damit auch die gerade verfügbare Energiemenge, sowie weitere wartungsrelevante Daten jederzeit über eine Diagnoseschnittstelle extern abgefragt werden.
• C) Diagnoseschnittstelle
• Bei Bedarf, z.B. für Wartungs- oder Anpassungszwecke kann über diese Diagnoseschnittstelle auch direkt in die Programmierung des Steuerungsablaufs eingegriffen werden. Damit stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Basis zur Verfügung, wodurch auch Ferndiagnosen und Fernwartung der Systeme ermöglicht werden. Die Datenübergabe kann bevorzugt sowohl über eine RS 232-, eine USB- oder eine Netzwerkschnittstelle erfolgen, wobei auch alle anderen bestehenden und zukünftigen Schnittstellenspezifikationen denkbar sind.
• Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung eignet sich wegen seiner Temperaturunempfindlichkeit, wegen des vergleichsweisen geringen Gewichtes und Volumens und wegen des minimalen Wartungsaufwandes sowie der langen Lebensdauer besonders für den Einsatz in Mobilfunk-Sendeanlagen als Stabilisierungseinheit für die Stromversorgung mit Kurzzeitüberbrückung von bis zu einigen Minuten bei Versorgungsausfall.
• Das Einsatzgebiet in Telekomunikationsanlagen ist jedoch nur beispielhaft. Ähnliche Anforderungen können damit auch in Bereichen der Bordnetze bei Geräten der Luft und Raumfahrt erfüllt werden, wo insbesondere der Gewichts- und Volumenvorteil gegenüber batterie- oder akkumulatorgestützten Systemen zum Tragen kommt.
• Die hier beschriebene Schaltvorrichtung eignet sich aber wegen der hohen Temperaturunempfindlichkeit und der Flexibilität des Systemmanagements insbesondere auch als Steuerungs- und Regeleinheit zum optimierten Betrieb von Brennstoffzellen, wobei die genannten Einsatzgebiete nur beispielhaft für unzählige weitere Einsatzgebiete zu betrachten sind.

Claims (5)

1. Schaltungsaufbau zur optimierten Steuerung von UltraCap-Kondensatoren, zum Einsatz für die Konstanthaltung von Spannung und Stromversorgung mit integriertem Kurzzeit-Ausfallschutz in Stromverbrauchersystemen, basierend auf beliebig vielen, sowohl in Reihe als auch parallel geschalteten UltraCap-Energiespeichern für die Nutzung als Pufferspeicher bei kurzzeitigen Versorgungsunterbrechungen in Verbindung mit einem, über einen programmierbaren Microcontroller realisierten Schaltungsaufbau zur optimierten Steuerung der Lade- und Entladephasen der Kondensator-Energiespeicher.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Microcontroller eine als Controller-Programm ausgebildete bidirektionale DC/DC-Wandlersteuerung erfolgt, über welche die bedarfsgemäßen Leistungsbauteile für die Versorgungsleitungen direkt angesteuert werden können.
3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass über den programmierten Microcontroller eine aktive Symmetrierung der Kondensatorspeicher sowie eine permanente Messung der Temperatur und des Ladezustands des Kondensatorspeichers stattfindet.
4. Schaltvorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein im Microcontroller hinterlegtes, als Systemmanagement ausgebildeten Kontroll- und Steuerungsprogramm, welches als zentrales Steuerungsprogramm die Ladezustands und Temperaturdaten des Kondensatorspeichers einerseits und die Spannungs- und Stromflußwerte aus der Versorgungsleitung andererseits überwacht und darüber in der Lage ist, einen entsprechend der Kennlinie optimierten und damit schonenden Lade- und Entladevorgang bei maximaler Energieausbeute sowie größtmögliche Lebensdauer der Kondensatoren zu gewährleisten.
5. Schaltvorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine vom Systemmanagement zur Verfügung gestellten Diagnose- und FernwartungsSchnittstelle, die je nach Anforderung als RS 232-, USB-, Netzwerkschnittstelle oder auch nach anderen bestehenden oder zukünftigen Schnittstellendefinitionen ausgebildet sein kann und damit den jederzeitigen Eingriff in das Überwachungs- und Steuerungsprogramm von außen ermöglicht, wodurch auch flexibel auf System- und Anwendungsanforderungen reagiert werden kann.