DE19545655A1

DE19545655A1 - Kaskadierbarer Laderegler

Info

Publication number: DE19545655A1
Application number: DE1995145655
Authority: DE
Inventors: Michael Schulze
Original assignee: CENITH CONTROL GmbH
Current assignee: CENITH CONTROL GmbH
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1997-06-12

Description

Stromerzeugende Sonnenkollektoren (sogenannte Paneele) werden zum Aufladen von Bleiakkumulatoren verwendet. Um den Akkumulator vor schädlicher Überladung sowie Entladung über das Paneel zu schützen, wird zwischen Paneel und Akkumulator ein Laderegler geschaltet, der bei Erreichen der Ladeschlußspannung den Strom fluß vom Paneel zum Akkumulator abschaltet, bei Erreichen der unteren Ladespannung den Ladestrom wieder zuschaltet (Zweipunkt regler mit Hysterese) und einen Rückstrom vom Akkumulator zum Paneel unterbindet. Die Hysterese wird zum Zwecke einer mög lichst guten Paneelauslastung sehr klein gewählt.

Werden größere Ladeströme gefordert, so schaltet man mehrere Pa neele parallel auf einen Laderegler und Akkumulator. In der DE-Offenlegungsschrift 40 26 526 wird eine Schaltungsanordnung zum Aufladen einer einem Photovoltaiksystem großer Leistung nachge schalteten Batterie beschrieben. Das Photovoltaiksystem besteht aus mindestens zwei Gruppen von Solarzellenmodulen aufweisenden Solargeneratoren. Ein Solargenerator ist über einen Laderegler und die restlichen Solargeneratoren sind jeweils über ein Schaltelement an die Batterie angeschlossen. Die Einheit aus erstem Solargenerator und Laderegler liefert einen zwischen Null und einem oberen Höchstwert einstellbaren Ladestrom. Die anderen Solargeneratoren sind derart ausgelegt, daß sie jeweils einen Ladestrom liefern, der das 1-, 2-, 3- oder 4-fache usw. des Höchstwertes des einstellbaren Ladestromes beträgt.

Aufgrund des hohen Summenstromes ist diese Schaltungsanordnung elektrisch und wirtschaftlich problematisch. Der Laderegler wird in diesem Fall auch nicht dazu eingesetzt, bei Erreichen der Ladeschlußspannung den Stromfluß vom Paneel zum Akkumulator abzuschalten und einen Rückstrom vom Akkumulator zum Paneel zu unterbinden.

Eine weitere Anordnung wird im US-Patent 5,256,957 beschrieben. Hier geht es um den Ladeprozeß bei Akkumulatoren und die Schalt kreisversion für die Realisierung dieses Prozesses. Der Ladezu stand eines zu 100% geladenen Akkumulators wird gemessen an dem Extremwert eines Parameters (S), welcher in Beziehung steht zur inneren Spannung oder dem inneren Widerstand des Akkumulators. Der Extremwert kann durch elektronische analog-digitale oder Computerschaltkreise gemessen werden. Dies ist ein sogenannter "intelligenter Laderegler", der sich jedoch auf die Anordnung einer Stromquelle und einen Akkumulator bezieht.

Bei dem US-Patent 5,270,636 handelt es sich um einen MPP-Tracker (Maximum Power Point). Ein Regelschaltkreis kontrolliert den Stromfluß von einer photovoltaischen Stromquelle zu einer Bat terie, um die Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie zu verbessern. Zwei Transistoren schalten in einer hohen Fre quenz, um den mittleren Stromfluß zur Batterie zu regeln. Die Quelle wird so geregelt, daß eine maximale Spannung produziert wird, und die Ausgangsspannung wird so geregelt, daß eine opti male Batterieladespannung geliefert wird. Diese Schaltung ermög licht die optimale Paneelauslastung. Auch hier ist die Anordnung von nur einer Stromquelle und einem Akkumulator vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einzelne Paneele von Sonnenkollek toren so zu gestalten, daß sie zu individuellen und beliebig großen, kompletten Anlagen zusammengesetzt werden können. Da durch werden, je nach Anzahl der einzelnen Paneele, unterschied lich große Ladeströme erzeugt. Es besteht außerdem die Möglich keit, vorhandene Anlagen nachzurüsten.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einem Laderegler, welcher direkt an einem Paneel angeschlossen wird und gemeinsam mit wei teren Ladereglern auf einem Akkumulator arbeitet. Dadurch wird eine leichte, kostengünstige Skalierarbeit der geforderten Pa neelleistung bei einem guten Gesamtwirkungsgrad erreicht.

Wird die Konfiguration mit herkömmlichen Ladereglern aufgebaut, zeigen sich im Betrieb nachteilige Effekte. Deshalb ist eine weitere erfindungsgemäße Lösung, daß eine auf dem Regler befind liche Ablaufsteuerung, die in einem, von einem Intervall-Timer vorgegebenen festen Zeitintervall (z. B. alle 10s) einen Meßzy klus startet. Der Ladestrom wird zwangsabgeschaltet und der Reglerausgang gesperrt. Dann wird die Akkumulatorspannung gemes sen. Der Laderegler wird entriegelt und gemäß der gemessenen Akkumulatorspannung eingestellt. Anschließend wird der Lade regler wieder verriegelt und die Zwangsabschaltung zurückge setzt. Der Ladereglerausgang wird freigegeben.

Die Erfassung der Akkumulatorspannung entsprechend der erfin dungsgemäßen Lösung ist nur sinnvoll, wenn alle Regler zum glei chen Zeitpunkt ihren Meßzyklus starten und damit die Verbin dungsleitungen zum Akkumulator während des Meßzyklus′ vollstän dig stromlos sind. Da jeder Regler über eine eigene Ablaufsteue rung mit dazugehöriger Zeitbasis verfügt, ist es deshalb erfor derlich, die Regler untereinander zu synchronisieren. Erreicht wird dies durch einen Flankendetektor, der das sprunghafte Ab sinken der Spannung um einen bestimmten Betrag auf der gemein samen Sammelleitung erkennt und daraufhin den Meßzyklus schon vor Ablauf des eigenen Intervall-Timers startet. Da es aufgrund der Leitungs- und Übergangswiderstände beim Starten des Meßzy klus′ auf einem Regler durch die Zwangsabschaltung des Lade stroms zu solch einem sprunghaften Absinken der Spannung auf der Sammelleitung kommt, werden auf allen anderen Reglern durch die Synchronisation gleichzeitig die Meßzyklen gestartet. Diese Synchronisation erfolgt dann während der gesamten Ladephase bei jeder neuen Einleitung eines Meßzyklus′, unabhängig von welchem Regler dies geschieht. Nach Erreichen der Ladeschlußspannung ist eine Synchronisation nicht mehr möglich, da kein Ladestrom mehr fließt und damit keine Flankenerkennung erfolgen kann. Hier ist jedoch auch keine Synchronisation erforderlich, da die Verbin dungsleitungen ohnehin stromlos sind. Ähnliches gilt auch bei zu kleinen Ladeströmen, wie sie bei gering beleuchteten Paneelen auftreten.

Die Schaltungsanordnung und das Verfahren zum Regeln der Akkumu latorspannung werden an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung bei Akkumulatorladung mit n Paneelen,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung des kaskadierbaren Ladereglers.

Die prinzipielle Anordnung bei Akkumulatorladung mit n Solarpa neelen wird in Fig. 1 dargestellt. Die mit den Solarpaneelen 2₁, 2₂, . . . 2 _n verbundenen Laderegler 1₁, 1₂, . . . 1 _n sind über eine gemeinsame Sammelleitung 4 auf den Akkumulator 3 geschaltet.

Aufgrund der räumlichen Trennung von Paneelen 2₁, 2₂, . . . 2 _n und Akkumulator 3 ergeben sich längere Verbindungsleitungen. Das hat einen Spannungsabfall von 2ΔU₁ an den Leitungs- und Übergangs widerständen zur Folge, der bei hohen Ladeströmen I_L in der Größe der geforderten Schalthysterese und darüber liegen kann. Deshalb ist es erforderlich, den Laderegler entsprechend Fig. 2 aufzubauen.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung des kaskadier baren Ladereglers kann folgendermaßen beschrieben werden:

Der Paneelstrom I_P aus dem Solarpaneel 2 gelangt über ein Stell glied 9 als Ladestrom I_L auf die Sammelleitung 4. Die Spannung an der Sammelleitung 4 liegt an einem Zwei-Punkt-Regler 8 an, der das Ausgangssignal für das Stellglied 9 liefert. Die Akkumula torspannung wird vom Zwei-Punkt-Regler 8 nur im stromlosen Zu stand erfaßt und ausgewertet. Dadurch werden das Meßergebnis verfälschende Spannungsabfälle auf den Verbindungsleitungen vermieden. Erreicht wird dies durch eine Ablaufsteuerung 6, die in einem, von einem Intervall-Timer 5 vorgegebenen festen Zeit intervall (z. B. alle 10s) einen Meßzyklus mit folgendem Ablauf startet:

a) Zwangsabschaltung des Ladestroms I_L, Sperren des Regler ausgangs,
b) Messen der Akkumulatorspannung,
c) Entriegeln des Zwei-Punkt-Reglers 8,
d) Einstellen des Zwei-Punkt-Reglers 8 gemäß der gemessenen Akkumulatorspannung,
e) Verriegeln des Zwei-Punkt-Reglers 8,
f) Zurücksetzen der Zwangsabschaltung, Freigabe des Regler ausgangs.

Durch den Flankendetektor 7 wird der Meßzyklus gestartet, wenn das sprunghafte Absinken der Spannung um einen bestimmten Betrag auf der gemeinsamen Sammelleitung 4 erkannt wird. Dadurch wird der Meßzyklus schon vor Ablauf des eigenen Intervall-Timers 5 gestartet.

Die Erfassung der Akkumulatorspannung hat nur Sinn, wenn alle Laderegler 1₁, 1₂, . . . 1 _n zum gleichen Zeitpunkt ihren Meßzyklus starten und damit die Verbindungsleitungen zum Akkumulator 3 während des Meßzyklus′ vollständig stromlos sind. Da jeder La deregler 1₁, 1₂, . . . 1 _n über eine eigene Ablaufsteuerung mit dazugehöriger Zeitbasis verfügt, ist es deshalb erforderlich, die Laderegler 1₁, 1₂, . . . 1 _n untereinander zu synchronisieren.

Erreicht wird dies durch einen Flankendetektor 7, der das sprunghafte Absinken der Spannung um einen bestimmten Betrag auf der gemeinsamen Sammelleitung 4 erkennt und daraufhin den Meßzy klus schon vor Ablauf des eigenen Intervall-Timers 5 startet. Da es aufgrund der Leitungs- und Übergangswiderstände beim Starten des Meßzyklus′ auf einem Laderegler 1₁, 1₂, . . . 1 _n durch die Zwangsabschaltung des Ladestroms I_L zu solch einem sprunghaften Absinken der Spannung auf der Sammelleitung 4 kommt, werden auf allen anderen Laderegler 1₁, 1₂, . . . 1 _n durch die Synchronisation gleichzeitig die Meßzyklen gestartet. Diese Synchronisation erfolgt dann während der gesamten Ladephase bei jeder neuen Einleitung eines Meßzyklus′, unabhängig von welchem Laderegler 1₁, 1₂, . . . 1 _n dies geschieht.

Nach Erreichen der Ladeschlußspannung ist eine Synchronisation nicht mehr möglich, da kein Ladestrom mehr fließt und damit keine Flankenerkennung erfolgen kann. Hier ist jedoch auch keine Synchronisation erforderlich, da die Verbindungsleitungen ohne hin stromlos sind. Ähnliches gilt auch bei zu kleinen Ladeströ men, wie sie bei gering beleuchteten Paneelen auftreten.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Ladung eines Akkumulators mit meh reren Solarpaneelen und einem Akkumulator, dadurch gekenn zeichnet, daß jedem der Solarpaneele (2₁, 2₂, . . . , 2 _n) ein Laderegler (1₁, 1₂, . . . , 1 _n) zugeordnet ist und über eine gemeinsame Sammelleitung (4) auf den Akkumulator (3) ge schaltet sind.

2. Schaltungsanordnung des kaskadierbaren Ladereglers beste hend aus einem Solarpaneel und einem Laderegler, dadurch gekennzeichnet, daß der Paneelstrom aus dem Solarpaneel (2₁, 2₂, oder 2 _n) über ein Stellglied (9) als Ladestrom auf eine Sammelleitung (4) gelangt, wobei die Spannung auf der Sam melleitung (4) an einem Zwei-Punkt-Regler (8) anliegt, der das Ausgangssignal für ein Stellglied (9) liefert, und eine Ablaufsteuerung (6) startet, die in einem, von einem Inter vall-Timer (5) vorgegebenen festen Zeitintervall einen Meßzyklus startet, und daß ein Flankendetektor (7) bei sprunghaftem Absinken der Spannung auf der Sammelleitung (4) den Meßzyklus vor Ablauf des Intervall-Timers (5) star tet.

3. Schaltungsanordnung des kaskadierbaren Ladereglers nach An spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwei-Punkt-Regler (8) mit sehr kleiner Hysterese arbeitet.

4. Verfahren zur Regelung des kaskadierbaren Ladereglers, da durch gekennzeichnet, daß

a) der Ladestrom zwangsabgeschaltet und der Reglerausgang gesperrt,
b) die Akkumulatorspannung gemessen,
c) der Zwei-Punkt-Regler (8) entriegelt,
d) der Zwei-Punkt-Regler (8) gemäß der gemessenen Akkumu latorspannung eingestellt,
e) der Zwei-Punkt-Regler (8) verriegelt,
f) die Zwangsabschaltung zurückgesetzt und der Regleraus gang freigegeben wird.

5. Verfahren zur Regelung des kaskadierbaren Ladereglers nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Regler zum gleichen Zeitpunkt ihren Meßzyklus starten.

6. Verfahren zur Regelung des kaskadierbaren Ladereglers nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisation aller Regler der Meßzyklus bei sprunghaftem Absinken der Spannung vor Ablauf des eigenen Intervall-Timers gestartet wird.