專利名稱：電源以及用于操作電源的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源，所述電源包括控制裝置和功率部分，其中輸出直流電壓附在功率部分的第一輸出上，具有可變的電流消耗的負(fù)載可連接到該輸出直流電壓上。
背景技術(shù)：
尤其是在工業(yè)設(shè)備中常常遇見如下情形負(fù)載借助電源被供電并且在此提取沒有預(yù)先確定的電流。電源所連接到的供電網(wǎng)絡(luò)通常不具有完整的故障安全。因此公知不同的措施，以便在電網(wǎng)故障時(shí)在一定的時(shí)間內(nèi)保證對(duì)負(fù)載繼續(xù)供電。這尤其是在安全相關(guān)的應(yīng)用中情況如此。例子是纜車(Seilbahn)和升降椅，所述纜車和升降椅根據(jù)各種規(guī)定需要電池緩沖，以便維持控制電壓(大多為24V)以應(yīng)急供給信號(hào)以及對(duì)控制和通信裝置應(yīng)急供電。
在此,所采用的緩沖蓄電池(Pufferakkumulator)應(yīng)達(dá)到盡可能長(zhǎng)的壽命，以便將設(shè)備的維護(hù)開銷保持得低。在這種蓄電池中，因而必要時(shí)注意溫和的充電過程和放電過程以及注意對(duì)蓄電池深度放電的保護(hù)。這例如在采用直流電壓的無(wú)中斷的電源設(shè)備(USV設(shè)備)的情況下予以考慮，其中緩沖蓄電池借助充電調(diào)節(jié)器和在深度放電時(shí)的斷路被操作。在這種設(shè)備中，負(fù)載大多被供給有電源的額定輸出電壓。只有在緊急情況下，負(fù)載被轉(zhuǎn)換到充好電的蓄電池的大多較高的電壓上。USV設(shè)備表示全面的解決方案，因?yàn)樾铍姵赝ㄟ^充電調(diào)節(jié)器可以以經(jīng)過協(xié)調(diào)的并且優(yōu)化的充電電流特征被充電，而不影響負(fù)載。同時(shí)，該方法非常昂貴，因?yàn)槌穗娫粗獯蠖嘈枰獙Ｓ玫腢SV組件。因此，也了解了不帶專用USV組件的解決方案。在此，電源以這種方式被選擇，使得存在用于將輸出電流限制到在額定電流以上的限定值的可能性。緩沖蓄電池通過保險(xiǎn)裝置或斷路器(Sicherungsautomaten)直接被連接到這種電源的輸出上，即與所連接的負(fù)載并聯(lián)。在電網(wǎng)故障時(shí)，蓄電池直接承擔(dān)對(duì)負(fù)載的供電。電源的輸出電壓被調(diào)整為使得該輸出電壓對(duì)應(yīng)于蓄電池的充電結(jié)束電壓。只要蓄電池沒有被充滿電，電源就在其功率極限處被操作。負(fù)載的消耗與功率極限之間的差作為充電電流被引入蓄電池中。受控的充電在此是不可能的。負(fù)載在蓄電池充電之后以充電結(jié)束電壓被操作。然而，這通常由于負(fù)載的供電電壓范圍的足夠的公差(至少在24V載荷(Verbraucher)的情況下)是無(wú)問題的。除了已經(jīng)談及的不可控的充電電流之外，其他缺點(diǎn)還在于，在有意使設(shè)備斷路時(shí)始終也必須將蓄電池單獨(dú)斷開。要不然，存在深度放電的危險(xiǎn)，同時(shí)有由此得到的對(duì)蓄電池的損害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所基于的任務(wù)是針對(duì)開頭所述類型的電源給出了相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過根據(jù)權(quán)利要求I所述的電源和根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法來(lái)解決。擴(kuò)展方案在從屬權(quán)利要求中被找到。簡(jiǎn)單的解決方案規(guī)定了，功率部分的第二輸出通過電流測(cè)量設(shè)備被引導(dǎo)，在第二輸出上連接有蓄電池并且蓄電池的借助電流測(cè)量設(shè)備所測(cè)量的充電電流或放電電流通過對(duì)輸出直流電壓的控制而被調(diào)整。由此，在沒有專用USV組件的情況下也可確定蓄電池的充電電流或放電電流。蓄電池和要被供電的負(fù)載被連接在僅僅一個(gè)功率部分上。與公知的電源的主要不同在于，對(duì)于蓄電池而言沒有專用的輸出電壓被調(diào)節(jié)。本來(lái)存在的用于給負(fù)載供電的輸出直流電壓變化，以便由此調(diào)整蓄電池的充電電流或放電電流或?qū)⑵湓僬{(diào)節(jié)到預(yù)給定的值。在充電時(shí)，充電電流借助電流測(cè)量設(shè)備被測(cè)量，并且輸出直流電壓以這種方式被改變，使得充電電流對(duì)應(yīng)于預(yù)給定的值。受制于蓄電池的內(nèi)阻，得到充電電流的電流特性曲線。這允許通過輸出電壓的變化來(lái)精確地調(diào)節(jié)充電電流。在此，負(fù)載電壓隨著蓄電池充電電壓而波動(dòng)，但這由于所連接的負(fù)載的公差而不起作用。該裝置節(jié)省了充電調(diào)節(jié)器電路并且盡管如此仍允許對(duì)蓄電池的受控充電。 在最簡(jiǎn)單的情況下，輸出直流電壓通過電流測(cè)量設(shè)備被引導(dǎo)到第二輸出。作為充電回路，因此第二輸出從電源的輸出端子借助電流測(cè)量設(shè)備被得出。替換于此地，充電回路也可以已在輸出端子之前被分支，或包括變壓器的次級(jí)側(cè)的專用輔助繞組。在后者情況下，在輔助繞組與次級(jí)側(cè)的主繞組之間存在固定的耦合。因此在此例如也僅需執(zhí)行機(jī)構(gòu)和脈寬調(diào)制器。有利地，負(fù)載借助第一開關(guān)或第一二極管被連接到蓄電池。第一二極管或第一開關(guān)以簡(jiǎn)單的方式阻止充電電流直接進(jìn)一步流入負(fù)載中。第一開關(guān)在緩沖器工作時(shí)才被接通。有利的是，將開關(guān)構(gòu)造為功率MOSFET。簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)(Auspraegung)規(guī)定，電流測(cè)量設(shè)備包括分流電阻并且與控制裝置連接。替換于此地，電流測(cè)量設(shè)備被構(gòu)造為電流轉(zhuǎn)換器(Stromwandler)并且與控制裝置連接。為了保護(hù)蓄電池免受深度放電影響，在另一設(shè)計(jì)中，第二開關(guān)被設(shè)置在蓄電池線路中。借助電源的次級(jí)側(cè)的電子裝置識(shí)別有威脅的深度放電，并且借助控制裝置使第二開關(guān)斷路。在此，次級(jí)側(cè)的電子裝置在應(yīng)急工作時(shí)此外還由蓄電池通過負(fù)載回路和輸出電壓端子被供電。另一改進(jìn)方案規(guī)定，在充電電流線路中布置有另一開關(guān)或第二二極管，蓄電池通過該充電電流線路來(lái)充電。在緩沖器工作時(shí)，另外的開關(guān)通過借助控制裝置進(jìn)行斷路和/或第二二極管通過截止(Sperrung)來(lái)防止能量從蓄電池回流到電源中。整個(gè)電流因此從蓄電池流入負(fù)載。這尤其是在蓄電池在確定的時(shí)間內(nèi)沒有被配備有電壓源時(shí)才是重要的。例如當(dāng)充電規(guī)定需要完全斷開電源時(shí)，在一種情況下借助控制裝置使另外的開關(guān)斷路。在其他情況下，借助控制裝置將輸出電壓略微降低并且第二二極管將蓄電池與電源去耦。有利地，電源包括微控制器。該微控制器以簡(jiǎn)單的方式被設(shè)立用于執(zhí)行控制任務(wù)。用于操作根據(jù)本發(fā)明的電源的方法規(guī)定，借助控制裝置在預(yù)給定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)將輸出直流電壓降低，使得負(fù)載在預(yù)給定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)借助蓄電池被供電。這例如用于確定蓄電池的剩余壽命或用于確定充電狀態(tài)。此外，由此實(shí)現(xiàn)了所期望的脈沖充電和短放電循環(huán)，以延長(zhǎng)壽命。這尤其是在鋰離子蓄電池的情況下是有意義的，因?yàn)檫@些蓄電池在較長(zhǎng)的備用工作時(shí)在無(wú)放電的情況下變得有缺陷。內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)可以僅通過偶爾的較大電流流動(dòng)被阻止。


以下以示例性方式參照所附的附圖闡述了本發(fā)明。附圖以示意圖示出
圖I :基本電路
圖2:帶有第一二極管的電路 圖3 :帶有第一二極管和第二二極管的電路 圖4 :帶有深度放電保護(hù)的電路 圖5 :帶有第一二極管和附加的第二開關(guān)的電路 圖6 :帶有深度放電保護(hù)和附加的第二開關(guān)的電路
圖7 :帶有深度放電保護(hù)、附加的第二開關(guān)和被跨接的(ueberbrueckt)第二二極管的
電路
圖8 :帶有用于分離蓄電池的開關(guān)的電路 圖9:電壓變化曲線。
具體實(shí)施例方式圖I中所示的電源包括功率部分I和控制裝置5。功率部分I的轉(zhuǎn)換器2具有初級(jí)側(cè)P，該初級(jí)側(cè)P可連接到供電網(wǎng)絡(luò)上。相對(duì)于參考電勢(shì)G的輸出直流電壓Ul附在轉(zhuǎn)換器2的次級(jí)側(cè)S的第一輸出OUTl上。負(fù)載3被連接到該輸出直流電壓Ul上。根據(jù)本發(fā)明，輸出直流電壓隊(duì)通過電流測(cè)量設(shè)備被引導(dǎo)到第二輸出0UT2。在圖I中，電流測(cè)量設(shè)備包括分流電阻R1。電流轉(zhuǎn)換器形成對(duì)此的替換方案。充電電流通過檢測(cè)在分流電阻Rl上的電壓降借助控制裝置5的充電電流測(cè)量單元5a被測(cè)量，在該圖中通過虛線箭頭來(lái)表示。同樣，輸出直流電壓Ul借助控制裝置5的輸出電壓測(cè)量單元5b持續(xù)地被測(cè)量。在第二輸出0UT2與參考電勢(shì)G之間接上蓄電池4。蓄電池電壓Ua借助控制裝置5的蓄電池電壓測(cè)量單元5c被測(cè)量。為了調(diào)整所期望的充電電流k或放電電流，輸出直流電壓Ul借助控制裝置5被影響。控制裝置5為此包括影響單元5d，該影響單元5d給電源的輸出電壓調(diào)節(jié)器傳送相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。例如，當(dāng)充電電流込的降低被識(shí)別出時(shí)，借助控制裝置5給輸出電壓調(diào)節(jié)器預(yù)給定提高的期望值。而如果因?yàn)槔缲?fù)載3吸收較少電流，充電電流込升高，則給輸出電壓調(diào)節(jié)器預(yù)給定降低的期望值。由此，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)，其中通過影響輸出電壓調(diào)節(jié)器將充電電流L調(diào)節(jié)到所期望的值。在蓄電池4的所期望的放電的情況下，輸出直流電壓借助控制裝置5被降低到所期望的放電電流從蓄電池4流入負(fù)載3中的程度。利用所介紹的解決方案也可以操作更多的蓄電池4。通過多個(gè)電流測(cè)量設(shè)備和其它的輸出在此可以針對(duì)每個(gè)蓄電池4實(shí)現(xiàn)不同的充電和放電特征。圖2中的裝置基本上對(duì)應(yīng)于圖I中的那個(gè)裝置，不同在于在第二輸出0UT2與負(fù)載3之間布置有第一二極管D1。陽(yáng)極與第二輸出0UT2連接，使得輸出直流電壓隊(duì)一降低到蓄電池電壓Ua之下，電流就從蓄電池4流入負(fù)載3中。第二二極管D2在圖3中被布置在蓄電池4的充電電流線路中，其中該第二二極管D2對(duì)于從功率部分I到蓄電池4中的充電電流k而言是可通過的并且在相反方向上截止。以這種方式阻止了，在緩沖器工作時(shí)，能量從蓄電池4回流到功率部分I中和/或通過電流測(cè)量設(shè)備回流。作為對(duì)第二二極管D2的替換方案，可采用另一開關(guān)，所述另一開關(guān)被控制裝置在緩沖器工作時(shí)斷路并且在此中斷充電電流線路。用于阻止蓄電池4的深度放電的電路變型方案在圖4中被示出。在圖2和3中所繪出的第一二極管在此通過第一開關(guān)SI替換，該第一開關(guān)SI借助控制裝置5來(lái)控制。當(dāng)取消通過功率部分I的供電時(shí)，控制裝置5借助蓄電池4被繼續(xù)供電。第一開關(guān)SI因此即使功率部分I被斷路也可以借助控制裝置5來(lái)控制。蓄電池電壓Ua在緩沖器工作時(shí)一達(dá)到不允許的值并且一存在深度放電的風(fēng)險(xiǎn)，控制裝置5就使第一開關(guān)SI斷路并且在此使在蓄電池4與負(fù)載3之間的連接中斷。
另一具有深度放電保護(hù)的電路變型方案在圖5中示出。在此，又布置有第一二極管Dl，而不是第一開關(guān)SI，并且直接在蓄電池4之前設(shè)置有第二開關(guān)S2，借助控制裝置5來(lái)控制。附加地，由第一輸出OUTl設(shè)置針對(duì)控制裝置5的供電V。在緩沖器工作時(shí)，必要時(shí)通過使第二開關(guān)S2斷路而無(wú)電流地切換蓄電池4并且因此防止深度放電。圖6中所示的電路變型方案基本上對(duì)應(yīng)于圖5中的那個(gè)電路變型方案，但是第一二極管Dl通過借助控制裝置5可控制的第一開關(guān)SI被替換。圖7中所示出的電路基本上對(duì)應(yīng)于圖6中所示的那個(gè)電路，但是此處第二二極管D2被跨接。被斷開的第一開關(guān)SI和被閉合的第二開關(guān)S2提供了用于通過第一輸出OUTl上的輸出電壓的變化而有針對(duì)性地進(jìn)行蓄電池充電和放電的可能性。這種蓄電池調(diào)節(jié)設(shè)置了經(jīng)過優(yōu)化的充電脈沖和放電脈沖，用于蓄電池4的壽命延長(zhǎng)。實(shí)際的蓄電池電流在此通過電流測(cè)量設(shè)備被測(cè)量。在緩沖器工作時(shí)，第一開關(guān)SI可以被閉合，以便減輕電流測(cè)量設(shè)備的負(fù)荷。該電路通過第二開關(guān)S2被斷開也提供了深度放電保護(hù)。另一具有用于防止深度放電的第二開關(guān)S2的電路變型方案在圖8中被示出。附加地，布置有輔助開關(guān)SH，該輔助開關(guān)SH能夠?qū)崿F(xiàn)將控制裝置5與蓄電池4完全分離。由此實(shí)現(xiàn)了，在較長(zhǎng)的工作中斷期間，蓄電池4也沒有通過蓄電池電壓測(cè)量單元5c的分壓器進(jìn)行放電。蓄電池4因此與所有可能的載荷不連接。輸出直流電壓(=負(fù)載電壓) 、蓄電池電壓Ua和充電電流込的在時(shí)間t上的示例性變化曲線在圖9中示出。在第一階段，蓄電池4以恒定的充電電流込充電。該輸出直流電壓隊(duì)在此略微在蓄電池電壓Ua上。該差通過在電流測(cè)量設(shè)備上的電壓降A(chǔ)U來(lái)給出。一達(dá)到蓄電池4的充電結(jié)束電壓Ws，充電電流流動(dòng)就停止。蓄電池電壓Ua隨后對(duì)應(yīng)于輸出直流電壓隊(duì)。為了補(bǔ)償自放電過程，通常需要在沒有其間的緩沖器工作的情況下也在時(shí)間上隔一定距離地給蓄電池4再充電。在再充電持續(xù)時(shí)間tN期間，為此目的提高輸出直流電壓UL，以便引起充電電流込。有時(shí)也可在沒有緩沖器工作的情況下需要在時(shí)間上隔一定距離地對(duì)蓄電池4執(zhí)行短時(shí)放電。這例如在鋰離子蓄電池的情況下或?yàn)榱舜_定剩余壽命或充電狀態(tài)而是必要的。為此，輸出直流電壓隊(duì)沒有被提高，而是降低到蓄電池電 壓Ua之下。接著得到從蓄電池4經(jīng)過負(fù)載回路的電流流動(dòng)。為了能夠?qū)π铍姵氐氖Ｓ鄩勖l(fā)表聲明，電壓變化曲線在荷載(Belastung)期間被檢查。為此通常以預(yù)給定的時(shí)間間隔將檢查負(fù)載連接到蓄電池，并且造成短時(shí)荷載，或恰好流動(dòng)的負(fù)載電流被用作負(fù)荷。
權(quán)利要求
1.一種電源，其包括控制裝置(5)和功率部分(I )，其中輸出直流電壓( )附在功率部分(I)的第一輸出(OUTl)上，具有可變的電流消耗的負(fù)載(3)能夠被連接到該輸出直流電壓( )上，其特征在于，功率部分(I)的第二輸出(0UT2)通過電流測(cè)量設(shè)備被引導(dǎo)，在第二輸出(0UT2)上連接有蓄電池(4)并且蓄電池(4)的借助電流測(cè)量設(shè)備所測(cè)量的充電電流(Il)或放電電流通過對(duì)輸出直流電壓( )的控制而被調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電源，其特征在于，輸出直流電壓(UL)通過電流測(cè)量設(shè)備被引導(dǎo)到第二輸出(0UT2)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的電源，其特征在于，負(fù)載(3)借助第一開關(guān)(SI)或第一二極管(Dl)被連接到蓄電池(4)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其特征在于，開關(guān)(SI)被構(gòu)造為功率M0SFET。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4之一所述的電源，其特征在于，電流測(cè)量設(shè)備包括分流電阻(Rl)并且與控制裝置(5)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4之一所述的電源，其特征在于，電流測(cè)量設(shè)備被構(gòu)造為電流轉(zhuǎn)換器并且與控制裝置(5)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6之一所述的電源，其特征在于，第二開關(guān)(S2)與蓄電池(4)串聯(lián)地被布置，該第二開關(guān)(S2 )借助控制裝置(5 )被控制用于阻止蓄電池(4 )的深度放電。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7之一所述的電源，其特征在于，另外的開關(guān)或第二二極管(D2)被布置在蓄電池(4)的充電電流線路中。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8之一所述的電源，其特征在于，設(shè)置有用于執(zhí)行控制任務(wù)的微控制器。
10.一種用于操作根據(jù)權(quán)利要求I至9之一所述的電源的方法，其特征在于， 借助控制裝置(5)在預(yù)給定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)將輸出直流電壓( )降低，使得在所述預(yù)給定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，負(fù)載(3 )借助蓄電池(4 )被供電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電源，所述電源包括控制裝置(5)和功率部分(1)，其中輸出直流電壓(UL)附在功率部分(1)的第一輸出(OUT1)上，具有可變的電流消耗的負(fù)載(3)能夠被連接到該輸出直流電壓(UL)上。在此，功率部分(1)的第二輸出(OUT2)通過電流測(cè)量設(shè)備被引導(dǎo)，其中蓄電池(4)被連接到該第二輸出(OUT2)上。此外，蓄電池(4)的借助電流測(cè)量設(shè)備測(cè)量的充電電流(IL)或放電電流通過控制輸出直流電壓(UL)而被調(diào)整。由此，在沒有專用USV組件的情況下也可確定蓄電池(4)的充電電流或放電電流。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102906962SQ201180027045
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者H.施魏格特, W.貝姆 申請(qǐng)人:西門子公司