Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem zum Anschluss an eine Versorgungsspannung und zur Stromversorgung für mindestens einen Verbraucher. Weiterhin umfasst die Erfindung ein Betriebsverfahren für ein solches Stromversorgungssystem.

Hintergrund der Erfindung

Die Aufgabe eines Stromversorgungssystems besteht unter anderem darin, eine berührungsgefährliche Versorgungsspannung von einer berührbaren Ausgangsspannung sicher zu trennen und eine konstante und berührbare Ausgangsspannung zur Verfügung zu stellen, die im SELV-Bereich (SELV: Safety extra low voltage) liegen sollte und beispielsweise eine Gleichspannung von 24 V sein kann. Beispielsweise kann ein getaktetes Schaltnetzteil in einem solchen Stromversorgungssystem eine Leistung bis zu einigen kW erzeugen. Zur Erhöhung der Leistung des Stromversorgungssystems können mehrere Stromversorgungen parallelgeschaltet werden. Bei einer solchen Parallelschaltung mehrerer Stromversorgungen entkoppelt ein nachgeschaltetes Redundanzmodul die unterschiedlichen Leistungspfade der einzelnen Stromversorgungen, garantiert eine gleichmäßige Lastaufteilung zwischen den parallelen Stromversorgungen und überwacht die komplette Entkopplungsstrecke. Durch eine Kombination von mehreren USV-Modulen (USV: unterbrechungsfreie Stromversorgung) und Energiespeichern kann auch bei längeren Netzunterbrechungen die geforderte elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden. Der aktuelle Ladezustand und die verbleibende Restlaufzeit der Energiespeicher können hierbei genauso überwacht werden wie die Eingangsspannung unter die Ausgangsspannung sowie die zugehörigen Ströme der USV-Module. Durch den Einsatz von DC/DC-Wandlern werden aufgrund der galvanischen Isolation unabhängige Versorgungssysteme aufgebaut, das Spannungsniveau geändert und am Ende langer Leitungslängen wieder lastunabhängig auf ein bestimmtes Niveau angepasst.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen bekannten Stromversorgungssystems mit zwei Schaltnetzteilen 1, 2, die jeweils eingangsseitig über Leistungspfade 3, 4 mit einer berührungsgefährlichen Versorgungsspannung gespeist werden. Ausgangsseitig sind die beiden Schaltnetzteile 1, 2 über jeweils einen Leistungspfad 5, 6 mit jeweils einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) 7, 8 verbunden. Die beiden unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7, 8 speisen schließlich über jeweils einen Leistungspfad 9, 10 einen elektrischen Verbraucher 11. Darüber hinaus weist dieses bekannte Stromversorgungssystem eine zentrale Steuereinheit 12 auf, die über hierarchisch vertikale Kommunikationspfade 13-16 mit den Schaltnetzteilen 1, 2 und mit den beiden unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7 , 8 verbunden ist. Darüber hinaus ist die Steuereinheit 12 auch über einen vertikalen Kommunikationspfad 17 mit dem Verbraucher 11 verbunden. Die Steuereinheit 12 ist hierbei also den beiden Schaltnetzteilen 1, 2, den unterbrechungsfreien Stromversorgung 7 , 8 und dem Verbraucher 11 hierarchisch übergeordnet, weshalb die Kommunikationspfade 13-17 auch hierarchisch vertikal sind. Bei diesem bekannten Stromversorgungssystem ist jedoch zwischen den Schaltnetzteilen 1, 2 und den unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7 , 8 keine direkte Kommunikation möglich. Es existieren hierbei also keine hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade zwischen den Schaltnetzteilen 1, 2 und den unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7 , 8.

Nachteilig an dem vorstehend beschriebenen bekannten Stromversorgungssystem ist also die unbefriedigende Kommunikation zwischen den einzelnen Modulen (Schaltnetzteile 1, 2, unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7 , 8). Bei Ausfall z.B. durch Kurzschluss der Kommunikationspfade kann ebenso keine Kommunikation stattfinden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend verbessertes Stromversorgungssystem und ein zugehöriges Betriebsverfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Stromversorgungssystem bzw. ein entsprechendes Betriebsverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem dient in Übereinstimmung mit dem eingangs beschriebenen bekannten Stromversorgungssystem dazu, einen elektrischen Verbraucher mit der zum Betrieb erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen, wobei das Stromversorgungssystem selbst an eine Versorgungsspannung angeschlossen wird.

Hierzu weist das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem in Übereinstimmung mit dem eingangs beschriebenen bekannten Stromversorgungssystem mehrere Stromversorgungsmodule auf, die mehrere redundante Stromversorgungen bereitstellen. Bei den einzelnen Stromversorgungsmodulen kann es sich beispielsweise um Schaltnetzteile oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen handeln, wie vorstehend bereits zum Stand der Technik beschrieben wurde.

Darüber hinaus weist auch das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem in Übereinstimmung mit dem eingangs beschriebenen bekannten Stromversorgungssystem mehrere parallele Leistungspfade auf, die dazu dienen, die elektrische Energie von den einzelnen Stromversorgungsmodulen zu dem Verbraucher zu übertragen.

Weiterhin umfasst auch das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem in Übereinstimmung mit dem eingangs beschriebenen bekannten Stromversorgungssystem eine Steuereinheit auf, um die einzelnen Stromversorgungsmodule zu steuern. Die Steuereinheit ist hierbei auch über hierarchisch vertikale Kommunikationspfade mit den einzelnen Stromversorgungsmodulen verbunden, wie eingangs bereits zum Stand der Technik beschrieben wurde. Hierbei ist zu erwähnen, dass die zentrale Steuereinheit über die vertikalen Kommunikationspfade mit sämtlichen Stromversorgungsmodulen verbunden sein kann. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass die zentrale Steuereinheit nur mit einem einzigen Stromversorgungsmodul über einen hierarchisch vertikalen Kommunikationspfad verbunden ist, wie noch eingehend beschrieben wird.

Das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem zeichnet sich nun dadurch aus, dass zwischen den einzelnen Stromversorgungsmodulen hierarchisch horizontale Kommunikationspfade verlaufen, die unter Umgehung der Steuereinheit eine direkte Kommunikation zwischen den einzelnen Stromversorgungsmodulen ermöglichen.

Im Rahmen der Erfindung besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass alle Stromversorgungsmodule untereinander jeweils paarweise durch horizontale Kommunikationspfade verbunden sind. Dies bietet die Möglichkeit, dass jedes Stromversorgungsmodul mit jedem anderen Stromversorgungsmodul über einen der horizontalen Kommunikationspfade kommunizieren kann.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dagegen nur ein einziges Stromversorgungsmodul des Stromversorgungssystems über jeweils einen hierarchisch horizontalen Kommunikationspfad mit allen anderen Stromversorgungsmodulen verbunden. Die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade des Stromversorgungssystems bilden hierbei also eine sternförmige Netzwerktopologie, wobei eines der Stromversorgungsmodule einen zentralen Knotenpunkt bildet, der über die horizontalen Kommunikationspfade mit allen anderen Stromversorgungsmodulen kommunizieren kann. Die Kommunikation zwischen den anderen Stromversorgungsmodulen über die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade erfolgt hierbei also stets über den gemeinsamen Knotenpunkt.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung bilden die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade zwischen den Stromversorgungsmodulen dagegen eine Bus-Topologie. Hierbei sind alle Stromversorgungsmodule mit einem gemeinsamen Bus verbunden, der eine Kommunikation zwischen allen Stromversorgungsmodulen untereinander ermöglicht.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die einzelnen Stromversorgungsmodule zur Kommunikation über die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade jeweils ein Kommunikationsmodul aufweisen können. Hierbei können die einzelnen Kommunikationsmodule in den einzelnen Stromversorgungsmodulen wahlweise als Master oder als Slave betrieben werden. Bei der vorstehend beschriebenen technischen Realisierung der hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade als Bus kann dann der Master die Kommunikation über den Bus steuern und die Slaves reagieren entsprechend.

Die Zuordnung der einzelnen Stromversorgungsmodule als Master bzw. als Slave kann im Rahmen der Erfindung statisch vorgegeben werden. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Stromversorgungsmodule wahlweise als Master oder als Slave betrieben werden können. Falls beispielsweise bei einem als Master agierenden Stromversorgungsmodul das Kommunikationsmodul ausfällt, so können die anderen Stromversorgungsmodule dies erkennen, so dass dann das Kommunikationsmodul eines anderen Stromversorgungsmoduls zum Master wird. Hierdurch wird die Ausfallsicherheit erhöht, da der Ausfall eines Kommunikationsmoduls innerhalb des Stromversorgungssystems nicht zu einem vollständigen Zusammenbruch der Kommunikation über die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade führt.

Die Zuordnung der einzelnen Stromversorgungsmodule als Master oder als Slave kann im Rahmen einer Start-Up-Routine erfolgen, wobei diese Start-Up-Routine in dem Stromversorgungssystem ausgeführt werden kann, beispielsweise in der zentralen Steuereinheit, die einen entsprechenden Steuerrechner aufweist.

Das als Master fungierende Stromversorgungsmodul kann dann Daten von den anderen Stromversorgungsmodulen erfassen, die als Slave fungieren. Der Master unter den Kommunikationsmodulen kann dann die zentral erfassten Daten über einen hierarchisch vertikalen Kommunikationspfad an die Steuereinheit weiterleiten. Darüber hinaus kann der Master unter den Kommunikationsmodulen auch Steuersignale von der zentralen Steuereinheit empfangen und über die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade an die anderen Stromversorgungsmodule weiterleiten, die als Slave fungieren.

Allgemein ist auch zu erwähnen, dass die Kommunikation über die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade bidirektional erfolgen kann.

Bei einer technischen Realisierung der hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade als Bus können die einzelnen Kommunikationsmodule in den jeweiligen Stromversorgungsmodulen jeweils eine bestimmte Priorität haben. Hierbei können die einzelnen Kommunikationsmodule wahlweise als Master oder als Slave auftreten. Falls nun ein Master unter den Kommunikationsmodulen mit einer hohen Priorität eine Kommunikationsanfrage auf dem Bus sendet, so unterbrechen die anderen Master mit einer niedrigeren Priorität ihre Kommunikation über den Bus, um diesen für die Kommunikation mit dem höherrangigen Master freizugeben.

Die Priorität der einzelnen Master in dem Stromversorgungssystem kann hierbei benutzerseitig eingestellt werden, beispielsweise durch Schalter (z.B. Drehschalter) an den einzelnen Stromversorgungsmodulen. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die Priorität der einzelnen Master durch einen Algorithmus eingestellt wird. Die Zuweisung der Prioritäten kann also statisch oder dynamisch erfolgen.

Es wurde vorstehend bereits erwähnt, dass es sich bei den einzelnen Stromversorgungsmodulen um Schaltnetzteile oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) handeln kann. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass einzelne Stromversorgungsmodule als Diodenmodul oder als sogenanntes Oring-Modul ausgebildet sind, wobei es sich um Redundanzmodule handelt, die zur Entkopplung der parallelen Leistungspfade dienen. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der technischen Realisierung der einzelnen Stromversorgungsmodule nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Erfindung hinsichtlich der über die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade zu übertragenden Daten nicht auf bestimmte Daten beschränkt ist. Beispielsweise können über die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade folgende Daten übertragen werden:

• Ladezustand des jeweiligen Energiespeichers, • Ausgangsspannung des jeweiligen Schaltnetzteils,

• Ausgangsstrom des jeweiligen Schaltnetzteils,

• Statusindikator, der anzeigt, ob sich die unterbrechungsfreie Stromversorgung im Netzbetrieb oder im Batteriebetrieb befindet, Statusindikator der anzeigt, ob die eingangsseitige Versorgungsspannung ausgefallen ist,

• Statusindikator, der anzeigt ob die Ausgangsleistung des jeweiligen Schaltnetzteils einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Ferner ist zu erwähnen, dass die Erfindung hinsichtlich der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Spannungsarten nicht auf eine bestimmte Spannungsart (Gleichspannung/Wechselspannung) beschränkt ist. Vorzugsweise handelt sich jedoch bei der Eingangsspannung um eine Wechselspannung, während die Ausgangsspannung eine Gleichspannung ist.

Auch hinsichtlich des Spannungsniveaus ist die Erfindung nicht auf bestimmte Spannungswerte am Eingang bzw. am Ausgang beschränkt. Vorzugsweise handelt sich bei der eingangsseitig anliegenden Versorgungsspannung jedoch um eine berührungsgefährliche Spannung, während die Ausgangsspannung zur Versorgung des Verbrauchers berührbar ist und vorzugsweise im SELV-Bereich (z.B. 24 V) liegen kann.

Weiterhin ist auch zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur Schutz beansprucht für das vorstehend beschriebene Stromversorgungssystem. Vielmehr beansprucht die Erfindung auch Schutz für ein entsprechendes Betriebsverfahren für ein solches Stromversorgungssystem. Die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens gehen bereits aus der vorstehenden Beschreibung des Stromversorgungssystems hervor, so dass auf eine separate Beschreibung der einzelnen Verfahrensschritte verzichtet werden kann.

Andere Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Stromversorgungssystems ohne hierarchisch horizontale Kommunikationspfade. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems mit horizontalen Kommunikationspfaden, die eine Stern-Topologie bilden.

Figur 3 zeigt eine Abwandlung von Figur 1, wobei die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade ein Bus-Systems bilden.

Figur 4 zeigt eine weitere Abwandlung eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems, wobei eine zentrale Steuereinheit nur mit einem einzigen der Stromversorgungsmodule verbunden ist.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird nun zunächst das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems stimmt teilweise mit dem eingangs beschriebenen und in Figur 1 dargestellten bekannten Stromversorgungssystem überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems besteht darin, dass mehrere hierarchisch horizontale Kommunikationspfade 18, 19, 20 vorgesehen sind, die das Schaltnetzteil 2 mit dem Schaltnetzteil 1 und mit den beiden unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7, 8 verbinden und jeweils eine bidirektionale Kommunikation ermöglichen. Die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade 18-20 bilden hierbei also eine sternförmige Topologie mit dem Schaltnetzteil 2 als Knotenpunkt. Die Kommunikation zwischen dem Schaltnetzteil 1 und der unterbrechungsfreien Stromversorgung 7 erfolgt hierbei also indirekt über das Schaltnetzteil 2. In gleicher Weise erfolgt auch die Kommunikation zwischen den beiden unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7, 8 indirekt über das Schaltnetzteil 2 als Knotenpunkt.

Die zentrale Steuereinheit 12 kann hierbei mit den Schaltnetzteilen 1, 2 und mit den unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7, 8 zum einen über die hierarchisch vertikalen Kommunikationspfade 13-16 kommunizieren. Zum anderen kann die zentrale Steuereinheit 12 mit den Schaltnetzteilen 1, 2 und mit den beiden unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7, 8 aber auch über das Schaltnetzteil 2 kommunizieren, das als zentraler Knotenpunkt dient. Darüber hinaus ist das Schaltnetzteil 2 über einen weiteren vertikalen Kommunikationspfad 21 mit dem Verbraucher 11 verbunden. Die Schaltnetzteile 1, 2 und die unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7 , 8 können also über die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade 14-16 über das Schaltnetzteil 2 und über den hierarchisch vertikalen Kommunikationspfade 21 auch mit dem Verbraucher 11 kommunizieren.

Die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade 14-16 ermöglichen also eine Kombination zwischen den Schaltnetzteilen 1, 2, den unterbrechungsfreien Stromversorgungen 7 , 8 und dem Verbraucher 11 unter Umgehung der zentralen Steuereinheit 12.

Figur 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade 18-20 hierbei keine sternförmige Topologie bilden, sondern als Bus-System organisiert sind. Jedes der Module (Schaltnetzteile 1, 2, unterbrechungsfreie Stromversorgung 7, 8) kann also über den gemeinsamen Bus, der durch die hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade 18-20 gebildet wird, mit jedem anderen Modul kommunizieren.

Hierbei tritt jeweils eines der Module (Schaltnetzteile 1, 2, unterbrechungsfreie Stromversorgungen 7, 8) als Master auf, während die anderen Module als Slave fungieren. Der jeweilige Master steuert hierbei die Kommunikation über den gemeinsamen Bus und die Slaves reagieren entsprechend.

Die Zuordnung der einzelnen Module (Schaltnetzteile 1, 2, unterbrechungsfreie Stromversorgungen 7, 8) als Master oder Slave kann hierbei beispielsweise durch Schalter an den einzelnen Modulen eingestellt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Zuordnung der einzelnen Module als Master bzw. als Slave im Betrieb dynamisch geändert wird. Falls beispielsweise das Schaltnetzteil 1 zunächst als Master auftritt und das Kommunikationsmodul in dem Schaltnetzteil 1 ausfällt, so können die anderen Module dies erkennen und einem anderen Modul die Funktion als Master zuweisen. Hierdurch wird die Ausfallsicherheit verbessert

Figur 4 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen wieder auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die zentrale Steuereinheit 12 nur mit dem Schaltnetzteil 2 über den hierarchisch vertikalen Kommunikationspfad 13 verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel fallen also die anderen hierarchisch vertikalen Kommunikati- onspfade 14, 15 weg. Falls die zentrale Steuereinheit 12 nun beispielsweise mit der unterbrechungsfreien Stromversorgung 7 kommunizieren möchte, so erfolgt diese Kommunikation nicht direkt, sondern über das Schaltnetzteil 2, das als Master auftritt und die Kommunikation über die als Bus organisierten hierarchisch horizontalen Kommunikationspfade 18-20 organisiert. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den jeweils in Bezug genommenen Ansprüchen und insbesondere auch ohne die Merkmale des Hauptanspruchs. Die Erfindung umfasst also verschiedene Erfindungsaspekte, die unabhängig voneinander Schutz genießen.

Bezugszeichenliste

1, 2 Schaltnetzteile

3, 4 Eingangsseitige Leistungspfade 5, 6 Leistungspfade

7 , 8 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)

9, 10 Ausgangsseitige Leistungspfade

11 Verbraucher

12 Steuereinheit 13-17 Vertikale Kommunikationspfade

18-20 Horizontale Kommunikationspfade

21 Vertikaler Kommunikationspfad zum Verbraucher