Verfahren zur Laderegelung von Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid Akkus und Stromversorgungseinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Laderegelung für Stromversorgungseinrichtungen mit entnehmbaren Nickel-Cadmium (NiCd) oder Nickel-Metallhydrid (NiMH) Akkus mit wahlweise konstanten oder unkonstanten Stromquellen sowie auf eine universelle Stromversorgungseinrichtung mit diesem Verfahren.

NiCd und vor allem NiMH Akkus zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Energiedichte, eine hohe Anzahl von Ladezyklen, einen niedrigen Innenwiderstand und flache Entladungskurven aus. Insbesondere sind diese Akkusysteme als Rundzellen in den typischen Größen AAA, AA, C und D verfügbar, die in vielen mobilen Consumerprodukten zur Energieversorgung verwendet werden. Durch ihre Nennspannung von ca. 1,2 V sind

sie außerdem ersetzbar durch bzw. ersetzen übliche Alkali-Mangan oder Zink-Kohle Primärzellen mit 1,5 V Nennspannung. Durch diese Eigenschaften sind NiCd/NiMH Akkus auch für mobile Stromversorgungsgerä- te wie z.B. Solarlader oder Kurbelgeneratoren interessant .

Beim Aufladen von NiCd/NiMH Akkus kann im Gegensatz zu Blei- oder Lithium-basierten Akkusystemen oder auch RAM Zellen (wiederaufladbare Alkali-Mangan Batterien) keine herkömmliche Konstantspannungs-Lade- regelung angewendet werden, da NiCd/NiMH Akkus bei zunehmendem Ladungszustand durch interne Gasungsprozesse und damit einhergehenden Druck- und Tempera- turanstieg die Klemmenspannung begrenzen und nach Erreichen des Vollzustands sogar leicht absenken. Bisherige Ladegeräte für NiCd/NiMH Akkus arbeiten daher prinzipiell mit folgenden Verfahren: Feste Bilanzierung: Konstantstrom mit fest einge- stelltem Timer

Variable Bilanzierung: Ladungszählung mit variablem

Maximalwert

Abtastung des Spannungsverlaufs: -δU-Verfahren mit

Abschaltung bei Abnahme der Klemmenspannung um einen definierten Wert δU

Abtastung des Temperaturverlaufs: Abschaltung bei Erreichen einer Maximaltemperatur T _max bzw. eines maximalen Temperaturanstiegs dT/dt Diverse Verfahren mit Abtastung anderer innerer Akku- parameter wie z.B. Impedanz, dynamische Parameter etc. (z.B. CCS-Ladeverfahren der Fa. BTI in Kooperation mit der TU Graz) .

Bis auf die relativ aufwendigen Verfahren e) verlan- gen sämtliche der oben genannten Verfahren entweder konstante Ladestromquellen (Verfahren a,c,d) oder ei-

ne Kenntnis der eingesetzten Akkukapazität (Verfahren b) . Ein mobiles Ladegerät mit einem Ladeschacht für NiCd/NiMH Akkus beliebiger Kapazität für den Betrieb mit verschiedenen, auch autarken Stromquellen mit un- konstantem Ladestrom ist somit auf eine Verwendung der für Consumergeräte zu aufwendigen Verfahren e) beschränkt .

Mobile, autarke Stromversorgungseinrichtungen mit entnehmbaren NiCd und/oder NiMH Akkus sind in verschiedenen Ausführungen und für die unterschiedlichsten Einsatzfälle bekannt. Neben der Möglichkeit, die genannten Akkus intern aufzuladen, bieten diese Einrichtungen insbesondere auch die Möglichkeit, externe mobile Kleingeräte wie z.B. Mobiltelefone oder Organizer zu laden oder zu betreiben, wobei die internen Akkus dann als Puffer dienen. Beispiele aus der Patentliteratur sind die DE 199 28 809 Al, DE 203 11 011 Ul, CA 2 409 465 Al, Beispiele entsprechender im Markt erhältlicher Solar-Ladegeräte finden sich z.B. auf den Internet-Webseiten www . solarserver . de oder www . Conrad . de . Bei allen genannten Beispielen handelt es sich um mehr oder weniger universelle Ladegeräte, die jedoch keine oder nur unzureichende Mittel zur internen Ladungsbegrenzung insbesondere von NiCd/NiMH Akkus enthalten. Bei den meisten der genannten Erfindungen sind neben den autarken, unkonstanten Stromquellen auch Vorrichtungen zum Anschluss an konstante Stromquellen wie z.B. Netzgeräte oder 12V- Autobatterien integriert. Damit besteht die Möglichkeit, bei Vorhandensein derartiger Stromquellen eine relativ schnelle und sichere Aufladung zu erzielen, insbesondere wenn z.B. im Falle eines Solarladers keine ausreichende Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Im gegenwärtigen Stand der Technik wird jedoch keines der zuvor beschriebenen Ladeverfahren zur Ladekon-

trolle bei derartigen Ladeeinrichtungen verwendet, sondern - ebenso wie bei den unkonstanten Stromquellen - eine unbegrenzte überladung der eingelegten Akkus in Kauf genommen.

Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht somit in der Bereitstellung eines Verfahrens zur geregelten Aufladung beliebiger NiCd/NiMH Akkus durch verschiedene, wahlweise konstante oder unkonstante Stromquellen ohne Voreinstellung der Akkukapazität, sowie einer mobilen Stromversorgungseinrichtung, welche dieses Prinzip verwendet und entsprechend aufgebaut ist.

Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch sowie Anspruch 10 zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens sowie der Stromversorgungseinrichtung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen und wer- den im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist das in einem festgelegten zeitlichen bzw. funktionalen Sche- ma erfolgende Zusammenwirken von drei im Prinzip bekannten Ladeverfahren, die jedoch für sich genommen oder in einer einfachen Aneinanderreihung nicht die oben formulierte Aufgabe erfüllen können. Hieraus resultiert ein neuartiges, in sich abgestimmtes Gesamt- Ladeverfahren, das alle real auftretenden Anforderungen abdeckt und mit einer üblichen Microcontroller- Schaltung preiswert realisiert werden kann. Die Basis hierfür bildet eine Stromversorgungseinrichtung, die im mobilen Fall mit unkonstanten Stromquellen (z.B. Solargenerator) , im stationären Fall jedoch mit konstanten Stromquellen (z.B. Netzadapter) betrieben

werden kann. Weiterhin muss diese Einrichtung in der Lage sein, bei der Versorgung externer Verbraucher (z.B. Mobiltelefone) eine Entladung des oder der eingelegten, entnehmbaren Akkus zu bewirken.

Folgende Fälle bzw. Abläufe sind dabei nun möglich:

1. Der eingelegte Akku ist nahezu entladen (Q =

Qo) , was anhand einer definierten unteren Span- nungsschwelle Uo automatisch detektiert wird.

Diese Schwelle liegt typischerweise im Bereich 1,15 und 1,25 V. Falls sich der Akku nicht bereits im entladenen Zustand befindet, kann vom Benutzer oder auch automatisch ein Entladevor- gang mit einem Entladestrom -I _Ent gestartet werden, in dem der Akku bis zur Schwelle Uo definiert entladen wird. Wird die Ladeeinrichtung danach mit einem vorgegebenen, durch die Ladeeinrichtung detektierten Mindest-Ladestrom I _C onst betrieben, der von einer konstanten Stromquelle oder auf einen konstanten Strom geregelte unkonstante Stromquelle geliefert wird, so wird automatisch oder auch durch den Benutzer der Betriebsmodus 1 gestartet. Dabei wird der Akku mit Hilfe des bekannten -δU-Ladeverfahrens bis zum

Erreichen eines negativen Spannungsgradienten (-δU) der Klemmenspannung U _k i innerhalb einer Zeitspanne δt mit einem durch die Ladeeinrichtung konstant gehaltenen Strom Ic _o n _st geladen und danach die Ladung beendet. Die so in den Akku eingeladene Strommenge I _CO nst ' δt = (Qi-Qo) "L entspricht der realen Kapazität Qi - Qo = Q _max = Cr _ea i des Akkus mal einem Ladefaktor L, der die reziproke Effizienz des Ladungsprozesses be- schreibt. Die „Kapazität" C von Akkus wird dabei üblicherweise in Ladungseinheiten (Q = Ixt) an-

gegeben. Nach der automatischen Beendigung der Ladung wird der Wert Q _max des Ladungszählers intern gespeichert, damit gilt der Akku als kalibriert. Der Wert I _Const kann z. B. im Bereich 0,3 bis 2 der zu erwartenden Akkukapazität in Ampere-Einheiten, also z.B. bei 2 Ah-Akkus 0,6 bis 4 A, liegen.

2. Der in der Ladeeinrichtung befindliche Akku wur- de im Betriebsmodus 1 vermessen (kalibriert).

Nach diesem Vorgang geht die Ladeeinrichtung selbsttätig in den bilanzierenden Betriebsmodus 2 über, da nun die Akkukapazität C = Q _max und auch der aktuelle Ladungszustand bekannt und ge- speichert ist. Erfolgt nun eine Entladung in ein angeschlossenes Kleingerät, so wird der Ladungszähler vom aktuellen Wert herabgezählt, bei Nachladung mit konstanten oder unkonstanten Stromquellen wird er heraufgezählt ; die Strom- konstanz spielt für den gemäß

Q(t) = Q ₀ + Jl (t) /L (t)dt ermittelten Ladungszustand keine Rolle. In diesem Zustand ist bei hinreichender Kenntnis des Ladefaktors L(t) auch eine genaue Ladezustandsanzeige möglich. Der La- defaktor ist vom jeweiligen Akkutyp und Ladezustand abhängig und liegt z.B. bei NiCd-Akkus im Bereich 1,3 - 1,6. Dieser Zustand wird erst wieder verlassen und damit der Ladungszähler und der gespeicherte Kapazitätswert zurückgesetzt, wenn der Akku entnommen wird, da die Ladeeinrichtung nicht „merkt", ob danach wieder derselbe Akku mit gleichem Ladungszustand eingelegt wird.

3. Der Akku weist nach dem Einlegen ins Akkufach weder eine Klemmenspannung unterhalb der Schwel-

Ie U ₀ auf, noch wird eine Entladung vom Benutzer gestartet. In diesem Falle wird anstelle des Betriebsmodus 1 automatisch oder auch durch den Benutzer der Betriebsmodus 3 aktiviert, der ebenfalls wie Modus 2 mit konstanten oder unkon ^¬ stanten Stromquellen betrieben werden kann. Es handelt sich um eine Abwandlung des für Blei- Akkus früher gelegentlich angewandten Verfahrens der „W-Ladung" . Dabei wird während der Ladung der Ladestrom etwa umgekehrt proportional zur steigenden Akku-Klemmenspannung heruntergeregelt, wodurch in etwa ein konstantes Leistungsprodukt W = U - I entsteht. Dieses Verfahren enthält gegenüber einem bilanzierenden Verfahren wie in Modus 2 einerseits den Nachteil einer Begrenzung des vorhandenen Stromangebots, insbesondere bei steigender Spannung des Akkus (entsprechend I = W / U) , und andererseits den Nachteil einer relativ ungenauen Ladungszustandsan- zeige, die hier nur an der Klemmenspannung des

Akkus orientiert werden kann. Dennoch ist dieses Verfahren eine bessere, vor allem sicherere Alternative als die bei den beschriebenen Ladegeräten bislang üblichen ungeregelten Verfahren.

Der Benutzer wird somit nach Möglichkeit von der Kombination der Betriebsmodi 1 und 2 Gebrauch machen, um die großen Vorteile des bilanzierenden Verfahrens 2 besonders während häufiger Lade- und Entladevorgänge zur Versorgung externer Kleingeräte mit den internen Akkus als Puffer zu nutzen, und er hat ansonsten mit dem Verfahren 3 eine hinreichend gute Alternative hierzu. Die Vorteile dieser aufeinander abgestimmten, sich automatisch einstellenden Kombination werden durch die folgenden Weiterbildungen noch vergrößert:

Im Betriebsmodus 2 erfolgt ein Zurücksetzen des Ladungszählers auf den Wert Q ₀ , sobald durch einen Entladevorgang oder auch durch Selbstentladung die definierte untere Spannungsschwelle U ₀ erreicht wird. Da- durch wird ein „Weglaufen" des Ladungszählers vom tatsächlichen Ladungszustand, z.B. durch einen abweichenden Ladefaktor L, verhindert.

Im Betriebsmodus 3 ist im Gegensatz zu den bisher üb- liehen primitiven Methoden der oben beschriebenen W- Laderegelung, die z.B. einen durch den Innenwiderstand eines Netztrafos bei steigender Sekundärspannung sinkenden Ladestrom ausnutzen, eine exakt definierte Abnahme des Ladestroms I _L von einem Maximal- wert l _L , _ma χ bei Erreichen einer ersten Klemmenspan ^¬ nungsschwelle U _k ii bis zu einem Minimalwert I _L ,mm bei Erreichen einer zweiten Klemmenspannungsschwelle U _k i2 vorgesehen.

Noch genauer wird dieses Verfahren durch die Berechnung eines sogenannten „Normwertes" der Akku- Klemmenspannung U _k i, _norπw der durch das Einbeziehen aller Innenwiderstände R ₁ (T) im Gesamtsystem inklusive Akku gemäß U _kl , _norm = U _k i _/me ss - Ri (T) ^• I _L unabhängig von dem aktuellen Lade- oder Entladestrom I _L ist. Mit Hilfe dieser auch in Abhängigkeit der Temperatur T korrigierbaren Klemmenspannung ist zudem eine exaktere Korrelation zwischen Klemmenspannung und Akkuladezustand möglich. Die Größe U _k i _/norm entspricht im Ide- alfall genau der Ruhespannung bzw. offenen Klemmenspannung Uoc des Akkus. Anstatt der oben beschriebenen Normspannung U _k i _/norm kann auch die nach Abschalten aller Ströme in den oder aus dem Akku gemessene Ruhespannung U ₀ C für die Betriebsmodi 1 oder 3 herangezo- gen werden. Nachteilig dabei sind jedoch die notwendigen Abschaltvorgänge des Stroms in den bzw. aus dem

Akku, die bei einem eventuellen Entladebetrieb in ein angeschlossenes Endgerat stören. Somit eignet sich die stromlose Messmethode in erster Linie für reine Ladegerate ohne zusatzliche Stromversorgungsfunktion für externe Gerate.

Weiterhin wird in Betriebsmodus 3 ab dem Zeitpunkt des Einlegens eines Akkus unabhängig von dessen Ladungszustand der interne Ladungszahler mit Q = Q ₀ ge- startet und bei Erreichen eines intern festgelegten Grenzwertes Qii _m gestoppt. Danach wird der Ladestrom auf einen niedrigen Erhaltungsladestromwert I _tr heruntergeregelt. Der Wert Qi _im sollte dabei über dem maximal zu erwartenden Kapazitatswert aller möglichen zu verwendenden Akkus liegen, damit ein Akku auf jeden Fall vollgeladen wird. Damit besitzt dieser Modus gegenüber den bisher bekannten „W-Ladeverfahren" erhebliche Vorteile, da keine unbegrenzte überladung mehr möglich ist. Bei handelsüblichen NiCd-Akkus der Große AA kann Qi _im z.B. im Bereich 1 - 1,5 Ah liegen.

In den beiden Betriebsmodi 1 und 2 wird ebenfalls der Ladestrom auf einen niedrigen Erhaltungsladestromwert I _tr im Bereich ca. 0,01 bis 0,05 ^• Q _raax /h herunterge- regelt, sobald der Wert Q _max erreicht ist. In diesem

Erhaltungslademodus wird der Ladungszahler nicht weiter hochgezahlt, der Akku kann in diesem Zustand für unbegrenzte Zeit (abgesehen von seiner kalendarischen Lebensdauer) im Voll-Zustand gehalten werden. Ideal- erweise wird der Erhaltungsladestrom aus kurzen

Strompulsen in Hohe des typischen Ladestroms gebildet, um die Ladeeffizienz zu steigern.

In allen drei beschriebenen Modi kann eine obere Spannungsschwelle der Klemmenspannung Uki, _max implementiert werden, die der maximalen Ladespannung von auf-

ladbaren Alkali-Mangan Akkus (RAM) entspricht und typischerweise bei 1,65 bis 1,7 V liegt. Ab Erreichen dieser Schwelle ist dann keine weitere Erhöhung mehr möglich und der Ladestrom wird durch den Akku selbst- tätig zurückgeregelt. Da diese Schwelle über der ty ^¬ pischen Ladespannung von NiMH oder NiCd Akkus liegt, ist bei diesen nicht mit einer Begrenzung zu rechnen. Auch ist durch diese Maßnahme die Verwendung von Alkali-Mangan Primärzellen in einem Ladegerät als Not- reserve z.B. zur Versorgung von extern angeschlossenen Kleingeräten möglich. Ein versehentliches Laden dieser Zellen kann damit nicht zu einem überladen bzw. Auslaufen von Elektrolyt führen.

Es wird nun eine universelle Stromversorgungseinrichtung beschrieben, die eine konkrete Umsetzung des o- ben erläuterten Verfahrens mit dafür geeigneten Komponenten darstellt. Diese sind zumindest eine Steuerelektronik mit den oben beschriebenen Ladeverfahren, ein Eingang für konstante und unkonstante Stromquellen, ein Akkufach für entnehmbare Akkus und ein An- schluss für externe Verbraucher. Mit den genannten Komponenten lässt sich die aus dem Stand der Technik resultierende Aufgabe erfüllen, sowohl intern einge- legte NiCd oder NiMH Akkus beliebiger Kapazität mit konstanten oder auch unkonstanten Stromquellen geregelt aufzuladen als auch angeschlossene externe mobile Kleingeräte wie z.B. Mobiltelefone oder Organizer zu laden oder zu betreiben, wobei die internen Akkus dann als Puffer dienen. Die Steuerelektronik kann dabei typischerweise mittels eines frei programmierbaren Microcontrollers realisiert werden, der über A/D- und D/A-Wandler und an die Lade- und Entladeströmen angepasste Leistungssteller oder DC/DC- Wandler mit den Ein- und Ausgängen kommuniziert. Die Implementierung der 3 oben beschriebenen Ladeverfah-

ren sowie auch weiterer Verfahren für andere Akkusysteme wie z.B. Li-Ionen oder RAM (aufladbare Alkali- Mangan Batterien) ist damit preisgünstig realisierbar. Anstelle oder zusätzlich zu dem Eingang für un- konstante Stromquellen kann die Einrichtung selbst auch eine autarke Stromquelle enthalten, z.B. einen Solargenerator. Damit ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung als mobiles Gerät mit zumindest einem starren oder aufklappbaren Solarmodul und einer von der Sonne abgewandten Steuereinheit mit Akkufach möglich.

Da zum Start des Betriebsmodus 1 definiert entladene Akkus eingelegt sein müssen, kann eine zusätzliche vom Benutzer aktivierbare Entladeeinrichtung vorgesehen werden. Ansonsten erfolgt die Entladung in extern angeschlossene Verbraucher, wobei als erfindungsgemäße Weiterbildung ein Gleichspannungswandler mit konstanter Ausgangsspannung zur definierten Versorgung extern anschließbarer Verbraucher vorgesehen werden kann. Die Ausgangsspannung kann dabei auch steuerbar sein, um eine Anpassung an verschiedene Verbraucher zu ermöglichen. Für typische Kleingeräte wie z.B. Mobiltelefone, Organizer oder GPS-Geräte werden Be- triebs- oder Ladespannungen im Bereich von ca. 5 bis 12 Volt benötigt.

Um die Steuerelektronik zumindest teilweise auf die verwendeten Akkus anzupassen und damit ein mögliches Fehlverhalten auszuschließen, kann eine Einstellmöglichkeit zumindest einer der Größen I _C onst, Imax^ Itrr lL,max/ IL,min, Qiim in Abhängigkeit von der Gehäusegröße und/oder der Kapazität und/oder der Anzahl der eingelegten Akkus vorgesehen werden. Als Beispiel für NiMH Akku-Gehäusegrößen und entsprechende Kapazitäten können AA-Akkus (Mignon) mit ca. 1,0 bis 2,2 Ah genannt

werden, dagegen erreichen NiCd AA-Akkus nur ca. 500 bis 900 mAh. Um nun beispielsweise in einem Akkufach AA-Akkus beider Systeme NiMH und NiCd zu laden, muss ein Kapazitätsbereich von 500 bis 2200 mAh abgedeckt werden. Als sinnvoller Kompromiss für I _C onst zur fehlerfreien Durchführung des -δU-Ladeverfahrens im Betriebsmodus 1 kann ein Bereich von ca. 500 bis 1000 mA genannt werden, für die anderen Modi können I _ma χ und I _tr entsprechend 600 bis 1200 mA und 25 bis 50 mA sowie Qiim 2500 mAh betragen, I _L ,maχ und IL,min können im Bereich zwischen I _max und I _tr liegen. Lässt man nun mehrere parallel geschaltete Akkufächer zu, so sollten diese Werte entsprechend mit der Anzahl der Akkufächer multipliziert werden, da ansonsten entweder bei maximaler Akkubestückung und Kapazität keine

Voll-Ladung oder bei minimaler Bestückung und Erhöhung der fest eingestellten Werte eine Ladung mit zu hohen Strömen erfolgt. Die hierfür notwendige Detek- tion der Akkuanzahl kann mittels zwei am Minus- oder Pluspol jedes Akkufachs angeordneten Kontakten erfolgen, die durch die Kontaktfläche des eingelegten Akkus miteinander verbunden werden. Der Detektionsan- schluss führt dann zur Steuereinheit und bewirkt im Microcontroller die entsprechende Umschaltung der Werte. Darüber hinaus kann auch eine Selektion der Akku-Gehäusegröße mittels einer Abstufung des Akkufachs dergestalt erfolgen, dass jeder Akkutyp in dem für ihn passenden Teil des Akkufachs mit den dort angebrachten individuellen Kontakten liegt. Die Detek- tion und Weitermeldung des Akkutyps an die Steuereinheit erfolgt ebenso wie zuvor beschrieben.

Beispielhafte Ausbildungsformen des Ladeverfahrens sowie der Stromversorgungseinrichtung nach der Erfin- düng werden anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur la-c einen Vergleich der drei Betriebsmodi 1 bis 3 anhand von Diagrammen

Figur 2 ein Diagramm mit den Großen Klem- menspannungs-Messwert und -Normwert

Figur 3 ein Blockschaltbild der universellen Stromversorgungseinrichtung

Figur 4 eine perspektivische Außenansicht des prinzipiellen Aufbaus der universellen Stromversorgungseinrichtung in einer beispielhaften Ausfuhrung als mobiles Solarladegerat .

In Figur 1 werden die Betriebsmodi 1 bis 3 anhand der Diagramme Ia bis Ic mit einem beispielhaften Verlauf der Großen Akku-Klemmenspannung U _k i, Ladestrom I _L und Ladung Q über der Zeit t dargestellt. Im Diagramm Ia wird dabei der Akku zunächst von einem Ladungszustand Q > Qo bis Q = Qo entladen, was z.B. über einen ange ^¬ schlossenen externen Verbraucher geschehen kann, in den aus dem Akku ein Entladestrom -iEnt transferiert wird. Bei Erreichen einer definierten unteren Spannungsschwelle Uo , die hier der unteren Ladungsschwelle Qo entspricht, wird der Akku mit einem konstanten Ladestrom I _C onst bis zum Erreichen eines negativen (-δU) der Akku-Klemmenspannung U _K i innerhalb einer Zeitspanne δt mit konstantem Strom I _Const geladen und danach die Ladung beendet bzw. nur noch mit kurzen Ladestromimpulsen mit Mittelwert I _tr zur Ladungserhaltung fortgesetzt. Wahrend des Ladevorgangs wird die Strommenge aufsummiert und gegebenenfalls mit einem Ladefaktor L multipliziert. Daraus ergeben sich die dargestellten Werte der Ladung Q, wobei Q ₀

einem „Leer"- und Qi einem „Voll"-Zustand des Akkus entspricht .

In Diagramm Ib ist der bilanzierende Betriebsmodus 2 dargestellt, in dem je nach Richtung und Hohe des Lade/Entladestroms I _L der aktuelle Wert der Ladung Q erhöht bzw. reduziert wird, wiederum gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines Ladefaktors L. Bei Erreichen des maximalen Ladungszustands Qi wird wie bei Betriebsmodus 1 auf einen Erhaltungsladestrom I _tr mit Ladepulsen umgeschaltet.

Diagramm Ic zeigt das Verhalten im Betriebsmodus 3, in dem ab Erreichen einer definierten minimalen Klem- menspannungsschwelle U _k i, _mm der Ladestrom I _L von einem maximalen Wert lL,max reduziert wird, bis er bei Erreichen einer definierten minimalen Klemmenspannungs- schwelle üu. _mm in einen konstanten Minimalstrom I _L ,mm übergeht, mit dem der Akku problemlos überladen wer- den kann. Dennoch wird nach Erreichen einer definierten Ladungsgrenze Qi _1n , wiederum in einen Erhaltungsladstrom I _t r umgeschaltet.

Figur 2 verdeutlicht die Ermittlung der zuvor be- schriebenen Norm-Klemmenspannung Uki,norm aus dem gemessenen Wert Uki,mess der Klemmenspannung U _K i und den Parametern Lade/Ent-ladestrom I _L und Temperatur T gemäß U _k i _/nO rm = Uki,mess ^~ Ri (T) ^• I _L . Bei genauer Kennt ^¬ nis des Innenwiderstands R ₁ des Akkus ergibt sich da- mit trotz deutlicher Schwankungen des gemessenen

Klemmenspannungswertes U _k i, _meSs ein stabiler, „normierter" Wert Uki,normf der der ladezustandsabhangigen Klemmenspannung des unbelasteten Akkus entspricht und somit z.B. für eine Erfassung des Akku-Ladungszu- Stands herangezogen werden kann.

Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild der universellen Stromversorgungseinrichtung 1 mit ihren wesentlichen funktionalen Komponenten. In einem Gehäuse G sind ein integrierter Generator 2 , im Ausführungsbeispiel ein Solargenerator als unkonstante Stromversorgung , eine Steuereinheit 5 mit Unterteilung in Leistungssteiler 11 , Mikrocontroller mit Temperaturfühler 10 und Aus- gangs-DC/DC-Wandler 9 , Akkufächer für Akkus 4 , die auch unterschiedlich sein können, und Akkukontakten 4a , Ein/Ausgabeeinheit 8 sowie Ein- und Ausgänge 3 und 6 untergebracht.

Während der Solargenerator als interne primäre Energiequelle einen von der eingestrahlten Lichtintensi- tat abhängigen Ladestrom liefert, kann über den Eingang 3 eine konstante externe Stromquelle angeschlossen werden, um damit eine sichere Funktion im Betriebsmodus 1 zu gewährleisten, wobei jedoch gegebenenfalls der Strom des Solargenerators konstant gehalten werden kann. Die Aktivierung der drei verschiedenen Betriebsmodi sowie generell eines Ladevorgangs der internen Akkus oder eines Entladevorgangs externer Verbraucher V kann über die Ein/Ausgabeeinheit 8 erfolgen und durch den Mikrocontroller 10 an die angeschlossene Peripherie umgesetzt werden; alternativ kann die Aktivierung auch automatisch bei Erkennen bestimmter Betriebszustände durch den Mikrocontroller 10 erfolgen. Die Ausgabeelemente in der Ein/Ausgabeeinheit 8 können die aktuellen Betriebsmo- di, den Akku-Ladungszustand sowie weitere Vorgänge wie z.B. Stromfluss in Eingang 3 , Stromfluss in Ausgang 6 anzeigen und z.B. aus LEDs oder einem LCD- Display gebildet werden. Als Mikrocontroller kann z.B. ein frei programmierbarer 8-Bit Controller ein- gesetzt werden, der einen integrierten oder extern angeschlossenen Temperaturfühler zur Abschaltung bei

überschreitung bestimmter akkuspezifischer Temperaturbereiche benötigt. Ein Ladungszähler, dessen Zählwert bestimmend für den Ladungszustand der Akkus ist. Die Steuereinrichtung enthält gleichfalls einen oder mehrere Speicher, die zur Speicherung der vorgegebenen Betriebswerte dienen.

Die Umsetzung der analog gemessenen Werte von Lade/Entladestrom, Akkuspannung etc. kann in einem im Mikrocontroller 10 oder auch extern in der Steuereinheit 5 integrierten Analog/Digital-Wandler erfolgen. Die Ausgabe der Stellwerte an den Leistungssteiler 11 , der den Stromfluss aus den internen und externen Stromquellen 2 und 3 und in die bzw. aus den Akkus 4 steuert, kann ebenfalls über einen im Mikrocontroller 10 integrierten oder einen externen Digital/Analog- Wandler erfolgen. Der Solargenerator 2 muss so dimensioniert sein, dass die Akkus 4 in jedem Ladungszustand geladen werden können und sich der Generator dabei in einem günstigen Arbeitspunkt befindet. Der ausgangsseitige DC/DC-Wandler 9 dient zur Erzeugung verschiedener Ausgangsspannungen aus der Akkuspannung mit hohem Wirkungsgrad, um verschiedene Verbraucher V 12 betreiben zu können. Der Wandler kann dabei vom Mikrocontroller 10 ein- und ausgeschaltet und zusätzlich auch in seinen Spannungs- oder auch Stromwerten gesteuert werden.

In Figur 4 ist die Stromversorgungseinrichtung in ei- ner beispielhaften Ausführung als mobiles Solarladegerät gezeigt. Dabei ist der Solargenerator 2 klappbar am Gehäuse G angeordnet, um eine Abschattung der im Akkufach 7 befindlichen Akkus 4 zu bewirken. An den Außenflächen des Gehäuses G sind eine Eingangs- buchse 3 , eine Ausgangsbuchse 6 sowie Ein- und Ausgabeelemente 8 angebracht. Die gesamte Steuerelektro-

nik 5 befindet sich im Innern der Stromversorgungseinheit 1 :

Bezugszeichenliste

1 autarke Stromversorgungseinrichtung 2 Solargenerator 3 Anschluss für eine externe Energiequelle

4 Pufferbatterien, Akkus

4a Akkukontakte 5 Steuerelektronik 6 Anschluss für einen externen Verbraucher

7 Akkufach

8 Ein-/ Ausgabeelemente

9 Gleichspannungswandler

10 MikroController mit Temperaturfühler

11 Leistungssteiler

12 Externer Verbraucher

DC Gleichspannung

G Gehäuse

Il^ min f lL, max minimale, maximale Ladespannung I L / I∑nt Lade/Entladestrom, Entladestrom I tr Erhaltungsladestrom Iconst Konstantström μC Mikrocontroller

Qo i Qliπu Ql Ladungsschwellen, Ladungsmenge δt Zeitspanne

U ₀ untere Spannungsschwelle

-δU negativer Spannungsabfall

U kl, mm i Uki _{/ Inax} minimale, maximale Klemmenspannung Ukl , mess λ UkI , norm gemessene, normierte Klemmenspannung V Verbraucher