給現場設備的儲能器充電的方法和執行該方法的現場設備與流程

本發明涉及一種給具有至少一個充電電流源和控制單元的現場設備的儲能器充電的方法，其中，充電電流源向現場設備的儲能器施加充電電流。本發明還涉及一種具有可充電儲能器、至少一個充電電流源和控制單元的現場設備，其中，該現場設備被設計為用于執行該方法。

背景技術：

1、上述類型的現場設備特別是自給式傳感器，其被設計為用于液體和松散材料的填充物位測量、極限物位測量、界面測量以及流量測量，以及用于液體和氣體的壓力測量。這些傳感器可以滿足相關的安全要求，以便能夠在防爆區域中操作。為了向測量單元供電，現場設備具有電能存儲器，該電能存儲器可以通過作為現場設備的一部分或者至少連接到現場設備的充電電流源進行充電。這種現場設備的可能使用壽命特別取決于所使用的儲能器的使用壽命。因此，本發明的目的是提出一種可以提高現場設備的使用壽命的方法和現場設備。

技術實現思路

1、該目的通過根據權利要求1的方法和根據權利要求10的現場設備來實現。該方法和該現場設備的優選實施例在從屬權利要求中給出。

2、根據本發明的有利實施例，現場設備的儲能器是蓄電池。為了延長其使用壽命，蓄電池優選地最多充電至其滿充電容量的80%，這對應于最佳充電量。

3、顯而易見的是，不完全對應于滿充電容量的80%的不同數值也可被視為最佳充電量。例如，滿充電容量的75%、85%或90%也可以代表本技術意義上的最佳充電量。

4、為了確保在可用的充電時間期間提供足夠的充電電流，根據本發明的一優選實施例，現場設備具有多個不同的充電電流源，其中，控制單元在考慮優先級的情況下指定哪個充電電流源或哪些充電電流源的組合向現場設備的儲能器施加充電電流。因此，充電電流源被設計為使得它們單獨提供充電電流，或與一個或多個其他充電電流源一起同時提供充電電流。優選地，現場設備至少具有作為充電電流源的電池、有線接口（例如，usb接口）和太陽能電池。電池優選地是可更換的，并且可以在定期維護間隔期進行更換。當通過控制單元對優先級進行排序時，至少考慮一個或多個以下選擇標準：

5、a）只有在沒有其他充電電流源可供使用的情況下，才由作為充電電流源的電池施加充電電流。優選地，測量從電池提取的能量，使得可以在能量完全耗盡之前更換電池。

6、b）當可以對儲能器充電時，始終由作為充電電流源的太陽能電池施加充電電流。因此，當太陽能電池能產生合適的充電電流時，總是選擇太陽能電池作為充電電流源，然而，這取決于波動且不可預測的光照條件。在這種情況下，將儲能器優選地充電至80%，其中，該值可以可變地設定。

7、c）當有線接口連接到外部操作設備時，可以由作為充電電流源的有線接口施加充電電流，其中，優選地將儲能器充電超過80%。將有線接口連接到外部操作設備，以例如參數化現場設備、調試（初始設定）現場設備以及測試或更新。在這種情況下，優選地充電超過80%，以便在移除外部操作設備之后仍有足夠的能量可用于完成啟動的過程和即將進行的測量例程。這也確保了在一段額外的時間內不需要電池作為充電電流源，從而延長了設備的運行時間。充電超過80%的過程很少發生，因此對儲能器的使用壽命影響很小或沒有影響。

8、d）如果所選擇的充電電流源不能提供所需的電能來至少充分地或最佳地對現場設備的儲能器進行充電，則從所選擇的充電電流源中提取最大可能的電能來給現場設備的儲能器充電，并且選擇其余充電電流源中的一個充電電流源來給現場設備的儲能器進一步充電。

9、作為通過控制單元自動優先級排序的替代方案，也可以手動地選擇充電電流源，并因此也手動地對優先級進行排序。在最簡單的情況下，可以通過關閉不需要的充電電流源（特別是關閉ic、打開mosfet或開關）來進行自動優先級排序。另外，還可以在每種情況下選擇當前提供最高充電電壓的充電電流源，為此，合適的二極管只允許較高的電壓通過，以緩解相對較低的電壓。

10、在本發明的另一優選實施例中，在時間上根據現場設備的（有效）操作時間來對現場設備的儲能器進行充電，其中，優選地在現場設備的兩個（有效）操作時間之間的時段期間對儲能器進行充電，其中優選地，盡可能長地利用該時段來為儲能器充電。換句話說，蓄電池優選地施加有在可用時間期間給蓄電池充電所需的盡可能低的充電電流。例如，如果現場設備是測量設備并且以12h的規律間隔進行測量，則在現場設備的12小時休息階段期間進行充電，這允許對儲能器進行保護性充電。減小充電電流，使得最佳地利用休息階段來給儲能器充電。

11、在這種情況下，對儲能器的保護性充電應理解為以盡可能低的充電電流進行充電。因此，在不超過最大允許充電電流的前提下，將充電電流保持在盡可能低的水平，以進行保護性充電。

12、自動或手動的優先級排序還確保了以最佳或最大可能的充電電壓對蓄電池進行充電，其中，盡可能以保護性方式實施充電。

13、由于諸如外部觸發（特別是客戶按下按鈕或來自另一設備的信號）等意外事件可能會中斷休息階段，因此在休息階段開始時盡可能快地給儲能器充電是有利的。一旦在儲能器中存在足夠的能量用于設備的一個或多個活動，特別是用于測量和/或數據發送，充電電流就會減小，以便如上所述盡可能以保護性方式給蓄電池充電。

14、在給儲能器充電時，不得超過最大允許充電電流，其中，最大允許充電電流通常與溫度有關。充電電流及其電流強度隨時間變化的曲線影響儲能器的使用壽命，特別是影響可能的充電周期的數量。經驗表明，充電電流應設定得盡可能低，但也應根據需要設定得較高。為了不超過最大允許充電電流，在已知的現場設備中已知有保險絲、無源電阻或有源電阻（opamp、半導體、mosfet等）形式的限流器。相關的充電電流源通常具有恒定的充電電壓，并且通過接入的可變電阻來產生恒定的充電電流。如果待充電的儲能器的電壓水平較低，則充電電流源和儲能器之間的電壓差有時會導致電流限制被激活，因此不必要地將特別是電阻中的電能轉化為熱量，從而造成能量損失。因此，根據本發明的一有利改進示例，至少一個充電電流源連接到電壓調節器，該電壓調節器以不超過最大允許充電電流的方式調節充電電壓。然而，在一實施例中，充電電流也可被設定為使得其盡可能接近最大允許充電電流，特別是對應于最大允許充電電流。以此方式，可以實現對充電電流源的盡可能低的負載。優選地，根據儲能器的當前電壓和/或根據當前充電電流來設定充電電壓。通過這種方式，實現了對儲能器的高能效充電，因為通過調節充電電壓不需要額外的電流限制，或者存在額外的電流限制，但由于不超過最大允許充電電流而該電流限制不被激活。

15、在這種情況下，如果充電電流保持在盡可能低的水平，則也可以實現對儲能器的特別保護性的充電。如果用于給儲能器充電的持續時間（即，直到儲能器必須具有預定電荷的時間點的持續時間）是已知的，則這是特別可能的。如果該持續時間是已知的，則在一實施例中通過調節充電電壓來調節充電電流，使得充電電流在整個持續時間內最小化。

16、替代地，如上所述，可以盡可能快地實現儲能器的可預定的充電，并因此以盡可能接近最大允許充電電流的充電電流實現該可預定的充電，并且從實現該預定充電開始，將充電電流降低到在為實現最佳充電計算的持續時間內最小可能的充電電流。

17、在一具體實施例中，存在線性的“平衡曲線（abgleichkurve）”，使得所考慮區域中的充電電壓以一個恒定值大于儲能器的當前電壓。例如，如果儲能器的電壓為2.5v，則充電電路產生例如3v的輸出電壓。隨著儲能器的當前電壓每次增加，充電電流源的輸出電壓也以相同的幅度增加，直到充電電流源達到3.9v的目標電壓。如果儲能器的電壓達到3.9v的目標電壓值，則不再有充電電流流過，并且達到最終充電電壓。通常，在充電電路的輸出端和儲能器之間有一個大致已知的電阻值，該電阻值特別是從保險絲的電阻值、限流器的測量電阻等得出的。由于充電電路的電壓和儲能器的電壓是已知的，因此可以確定最大充電電流。優選地使用連接的半導體器件來限制電壓，在一有利的實施例中，該半導體器件具有z二極管（齊納二極管）。通過這種方式，實現了對儲能器的特別快速且同時高效能的充電。

18、例如，在上述具體實施例中，如果按照預定的平衡曲線將儲能器充電至預定電壓并且當達到該預定電壓時將充電電流設定為可在剩余時段內實現儲能器的最佳充電或完全充電的最小可能充電電流，則可以實現對儲能器的高能效和保護性充電的結合。

19、與電壓調節無關，在本發明的一優選實施例中，還存在電壓限制，為此提供了電壓限制器。即使待充電的儲能器的電壓低于要限制的最大電壓，電壓限制器在充電電流源的電壓較低的情況下也會消耗能量，例如以泄漏電流的形式。根據本發明的另一有利的改進示例，為了避免在這種情況下出現不必要的能量損失，只有當儲能器的電壓超過最小電壓時才啟動電壓限制，而當儲能器的電壓低于最小電壓時停用電壓限制。例如，如果儲能器處允許的最大電壓為4.0v，則從例如3.7v的電壓開始才通過合適的z二極管啟動電壓限制。因此，充電電壓高于3.7v時，才會有較小的漏電電流流過電壓限制器。通過盡早接通z二極管并且適當的滯后，可以避免周期性激活和停用（所謂的時鐘）。

20、所述的電壓限制電路對于將電池作為充電電流源是特別有利的，因為在此可用的能量是有限的。如果通過電壓調節器調節充電電壓使得電流限制保持停用狀態，則不會消耗不必要的能量，這有利于現場設備的使用壽命。然而，如果儲能器通過其中存在充足或非臨界能量的充電電流源（例如有線接口或太陽能電池）來充電，則相對更高的充電電壓可能是有用的，并且在電流限制的范圍內可以忽略電能損耗。因此，如果使用電池作為充電電流源，則特別優選的是使用電壓調節器并從特定電壓值開始接通電壓限制器。

21、最后，當充電電流源的電壓超過最小電壓時，優選地激活電壓調節器。