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Ein intelligentes 1800W-Hochleistungs-Batterieladesystem, welches eine gesamte 48V-Niederspannungshausinstallation eines ehem. Vierparteienhauses über nachtstromgespeißte Batterien
versorgt und dabei ein vielseitiges BUS-System mit erweiterter Adressierung zur Verfügung stellt. (03.2005)
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Der Ladestation SNT Testaufbau wird zum Schnellladen einer Autobatterie mißbraucht
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Doch um all diese Energie auf Niederspannungsebene bereitstellen zu können obwohl keine einzige Solarzelle diese lädt, kam mir die glorreiche Idee, ein Ladegerät zu verwenden, welches diese
per Nachtstrom lädt. Einziges Problem: Um die für dieses Vorhaben groß ausfallenden Batterien laden zu können, wird ein (vier bei 48V) besonders Leistungsstarkes Ladegerät benötigt. Dieses soll natürlich
nicht irgendwo gekauft werden. Und so kam es zu diesem Gerät, welches in einem ausgemusterten Prüfgerätsrahmen eingebaut wurde. Und wenn man schon mal dabei ist, wurde dieses gleich noch mit einem
Rechner erweitert. Als weitere Beigabe wurde zusätzlich ein eigens für dieses Projekt entworfenes Installations-BUS-System im ganzen Gebäude installiert. Der Vorteil dieser ‘Elektronifizierung’ per BUS
liegt in dem Potenzial einer intelligenten Kommunikation zwischen den einzelnen Busteilnehmern, so dass das System zu einer Art interaktivem Netzwerk wird. So kann beispielsweise mit einer Reihe an
Bewegungsmeldern die Lampen im Flur automatisch geschalten werden. Auch kann beispielsweise über einen an dem BUS angeschlossenem PC jede einzelne Lampe in ihrer Helligkeit reguliert werden. Ein weiterer
Vorteil liegt in der höheren Effizienz durch den Einsatz eines großen zentralen Netzteils im Vergleich zu mehreren kleinen Halogen-Zimmerbeleuchtungssystemen über ihre Trafos. Weiterhin ist auch geplant,
empfindliche PC-Systeme über eine kleine Wechselrichteranlage über die Batterien zu speißen, was den positiven Nebeneffekt der USV hat.
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Doch um ein solches Batterieladegerät mit einer großen Ausgangsleistung und den Steuerfähigkeiten zu bauen, bedurfte es jahrelanger Entwicklungsarbeit, welche zu folgenden Ergebnissen führte:
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Versionen (History)
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- Version PAS mit LSBUS I (Im Bau seit 1998, im Testbetrieb Mitte - Ende 2001)
Hierbei handelt es sich um eine erste funktionsfähige Version des Zentralsystems. Geladen wurde mit
einem phasenangeschnittenem Trafo-Linearregler Kombiladegerätes Marke Eigenbau gesteuert über
einen alten Sinclair ZX-Spectrum-Rechner. Wurde nach einmonatigem Betrieb wegen Effizienz-
schwierigkeiten demontiert.
- Version SNT (SMPS) mit LSBUS II (Im Bau seit 2001, im Testbetrieb seit März 2005)
Basierend auf mehreren BUS-gesteuerten 450W-Schaltnetzteilen zur Batterieladung, einem alten
Toshiba T1000 und dem LSBUS II - Bussystems sowie einer steuergerätsinternen USV, einer
intelligenten Lüfterzeile und mehreren selbstüberwachenden Steckkarten ist dies die aktuelle Version.
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Version PAS mit LSBUS I
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Version SNT (SMPS) mit LSBUS II
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Technische Daten
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Gesamtsystem:
- Leerlaufleistungsaufnahme: 35W (Rechner + int. USV + BUS + int. Systeme aktiv)
- Maximale Leistungsaufnahme: ca. 3200VA bzw. etwa 2100W - 2200W
- Maximale Leistungsabgabe an Batterien: 4 x 450W = insgesamt etwa 1800W
- Maximale Strombelastbarkeit Batterieladeausgänge: 4 x 32A
- Ausgangsspannungen: 4 x 0-14V, jeweils galvanisch getrennt voneinander
- Wirkungsgrad Gesamtsystem unter Volllast: etwa 85%
- Kommunikation über störunempfindlichem Dreidraht-BUS-System “LSBUS II”
Komponenten:
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- Gesamtaufbau in rollbarem Rahmen für 2 x 5 x 19”-Baugruppenträger mit je 3HE
- Schaltnetzteilschächte: 4 Stück für SNT’s bis jeweils 40A Ladestrom
- Rechner: Laptop Toshiba T1000 mit 8086-Prozessor und 1MB RAM sowie 20MB HD und FD-LW
- Netzteil Steuerstromkreis: 2 x Schroff Schaltnetzteil mit 35W (5V, 7A) mit OVP in Reihe mit Abzapf.
- Sonstige Steuerstromnetzteile: 2 x Eigenbau Doppelnetzteil mit jew. 2 x + 15V und 315mA
- Lüfterzeile: BUS-Steuerbare Lüfterzeile mit 3 x 48V-Lüftern (je 18W) und grafischem LED-Display
- Steckkarte: SiPlat V1 - eine intelligente Sicherungsüberwachende Steckkarte
- Steckkarte: LS_USV_V1 - eine kleine USV-Karte mit 5V und 8,25V-Ausgang mit 800mAh-Akku
- Steckkarte: SNT-PowerControlCard - Steckkarte für 230V-Netzfreigabe bei Schaltnetzteilanforderung
- Steckkarte: LSBUS2-BusmasterCard - Master-Steckkarte für BUS-System und zur Anbindung des
s Laptops per LPT-Port
- Steckkarte: Bedienteilkarte für einfache Bedienung der Grundfunktionen und der Fehler-/Statusanzeige
Sicherheit:
- 16A-Hauptsicherung mit Magnet-/Thermoabschaltung
- FI 30mA für das Gesamtsystem
- Notaus-Taster für Netztrennung mit Freigabeschloß
- Meßinstrument mit Grenzbereichseinstellmöglichkeit
- geplant: Interne Notabschaltung mit Kurzschließer bei Teildefekt oder Rauchbildung (SNT-Kondis!!)
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Dieser Rechner wird aufgrund seinem sehr niedrigen Energieverbrauchs, wenn er über Batterien gespeißt wird von etwa 2,5W im Betrieb (HD und Display aus), verwendet. Aus diesem
Grund wird der Laptop auch über den modifizierten Batteriesteckplatz versorgt. Die Rechenleistung des PCs ist dabei für die Funktionen der Ladestation und des BUS-Systems ausreichend. Die
eigentliche Arbeit wie das Einkoppeln der Daten auf den BUS erledigt sowieso ein PIC (=> BusMasterCard).
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Die Aufgaben des Hauptrechners sind hauptsächlich das zeitgesteuerte Ansprechen der Ladestationinternen Systeme sowie die Überwachung derer auf ihre Funktionalität. Der Rechner hat die
Fähigkeit, über das BUS-System alle Systeme ansprechen zu können, so auch die Schaltnetzteile, die LS-interne USV und andere Steckkarten sowie auch externe Systeme wie alle anderen Busteilnehmer.
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Des weiteren kann er alle auf den BUS gelegten Daten abhören, so dass er auch Meldungen der Steckkarten oder anderer BUS-Teilnehmer empfangen und auswerten kann.
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Eine Beispielsaufgabe des Rechners ist das Initiieren eines Ladevorganges mit ermittelten Spannungen und Strömen wenn auf Nachtstromzählung umgeschalten wird und die Batterien
einen bestimmten Ladestatus besitzen.
Als weiteres Beispiel kann er über die Schaltnetzteile die Batteriespannungen tagsüber messen und bei drohender Tiefentladung ein Übernehmen der Stromversorgung anordnen.
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Als Betriebssystem wurde MS DOS 6.22 verwendet. Für Tests wurde der Laptop unter dem mitgelieferten QBasic programmiert. Die eigentliche Steuersoftware wird aus Geschwindigkeitsgründen unter
C geschrieben werden.
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Die Steckkarten und ihre Funktionen
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Klicken Sie einfach auf eine Steckkarte...
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Steckkarte Lüftersteuerung
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Diese Steckkarte ist noch ein Relikt aus der PAS-Version der Ladestation. Sie ist auch in der aktuellen Version verantwortlich für die Ansteuerung der Lüfterzeile, wenn ein
Busteilnehmer dies anfordert. Weiterhin hat sie einen Ausgang für ein Doppel-LED-Matrix- display, welches für eine Statusanzeige in die Lüfterzeile integriert wurde. Die Schaltung verfügt
über 2 Transformatoren, deren Ausgänge in Reihe geschalten etwa 54V geben und per PIC-gesteuerten Tiefsetzer gedimmt werden kann.
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Steckkarte 5V-Schaltnetzteil (Schroff Switchpak)
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Diese zwei Schaltnetzteil-Steckkarten der Firma SCHROFF© sind für die Stromversorgung der 5V und der 10V-Ebene verantwortlich. Diese Spannungen werden vom Steuerrahmen
benötigt. Belastbar sind diese Steckkarten jeweils mit bis zu 7A. Des Weiteren besitzen sie eine “Over Voltage Protection”, welche bei Überspannung aller Art den Ausgang zum Schutz der
versorgten Steckkarten kurzschließt
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Steckkarte +15V OP-Versorgung
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Wie der Name schon sagt, ist diese Steckkarte für die + 15V-Versorgung der 450W-Schaltnetzteile gedacht. Die zwei Ausgänge pro Karte sind galvanisch voneinander getrennt und können pro Spannungsausgang etwa 315mA liefern. Weiterhin bietet sie eine Überwachung aller vier Einzelspannungen per Optokoppler. Die Ladestation beinhaltet zwei dieser Karten und kann somit vier Schaltnetzteile versorgen.
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Steckkarte SMPS-PowerCard
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Eigentlich sind das eher zwei Steckkarten aber funktionell bilden beide eine Einheit. Die Eine überwacht die SNT-OP- Netzteile, verwaltet die Netzanforderung der
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Schaltnetzteile und gibt zusätzlich dem Hauptrechner den Zugriff auf die Netz-Freigabe sowie die Möglichkeit, Statusinformationen auszulesen. Die Andere beinhaltet vier Relais - für jedes
Schaltnetzteil eines.
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Steckkarte 450W-Schaltnetzteil
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Das Arbeitstier in der Ladestation. Eines dieser Schaltnetzteile hat eine Ausgangs- leistung von bis zu 450W an 14V mit einem Wirkungsgrad von fast 90%! Das Netzteil hat eine
galvanische Trennung von Netz- Ausgangs- und Steuerspannung und kann somit Ausgangsseitig beliebig verschalten werden. Insgesamt werden vier dieser Schaltnetzteile jeweils eine
12V-Batterieeinheit laden, die alle zusammen in Reihe geschalten 48V erreichen.
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Weiterhin besitzt dieses Netzteil die Eigenschaft, über das Ladestationinterne LSBUS II- Bussystem ferngesteuert und auch fernausgelesen zu werden. So können im laufenden Betrieb Spannungen und Ströme
vorgegeben sowie auch ausgelesen werden. Ein Temperaturfühler macht unter Anderem auch die Temperatur des Schaltnetzteiles abrufbar.
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Steckkarte SiPlat (Sicherungsplatine)
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Die Sicherungsplatine beinhaltet - wie der Name schon sagt - alle Sicherungen für alle Steuerungsspannungen. Hierüber laufen neben Anderem die Spannungen der SCHROFF©-
Netzteile und der USV-Platine. Als zusätzlicher Eigenschaft besitzt diese Platine ebenfalls einen Controller, der jede einzelne Sicherung auf ihren Status abprüfen kann und geflogene
Sicherungen meldet.
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Steckkarte LSBUS II - MasterCard
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Diese Steckkarte sorgt für das Taktsignal des LSBUS II -Busystems. Zudem verbindet diese Karte den Laptop mit dem BUS, so dass dieser überhaupt darauf zugreifen kann. Als
Einzelheiten sind zu nennen:
- PIC16F877 PLCC als Controller,
- getaktet auf 20MHz
- verbunden mit LPT-Port des PC
- PC greift über simulierte RAM-Pages auf die
Register des LSBUS II-Treibers im PIC zu
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Steckkarte interne USV
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Wie der Name und das Foto schon zeigen handelt es sich hierbei um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung. Diese Steckkarte stellt die Spannungen 8,25V und 5V absolut
unterbrechungsfrei zur Verfügung. Bei Netzausfall sendet diese Karte automatisch Warnungen an die wichtigen Systemkomponenten der Ladestation und an den Laptop. Die Stromversorgung des
internen Gesamtsystems kann bei Totalausfall noch etwa 1 Stunde aufrechterhalten werden.
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Vor der Notabschaltung zum Schutze des Akku sendet diese Karte nochmals Warnmeldungen, um ein Abschalten des Gesamtsystems anzukündigen. Wahlweise kann auch das System auf Befehl hin
abgeschalten werden, um z.B. bei erkannten Defekts den Schaden in Grenzen zu halten.
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