DE10039407A1 - Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherelemente - Google Patents
Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektrische EnergiespeicherelementeInfo
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Abstract
Es wird eine Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherelemente, insbesondere Kondensatoren, vorgeschlagen. Jedes Energiespeicherelement ist mit einer Bypass-Schaltung zum Begrenzen der Ladespannung versehen, welche eine vom Energiespeicherelement gespeiste, spannungsgesteuerte Stromquelle zum Generieren eines Bypass-Stroms enthält. Die Bypass-Schaltung nimmt also ab einem voreingestellten Wert für die Nennspannung einen zunehmenden Anteil des Ladestroms auf und schützt so das jeweilige Energiespeicherelement vor einer Überlastung. Die spannungsgesteuerte Stromquelle wird vorzugsweise durch einen Leistungstransistor realisiert, der ein MOSFET oder ein Bipolartransistor sein kann. Besonders vorteilhaft wird diese Symmetrierschaltung bei Energiespeichern eingesetzt, die eine Anzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, enthalten.
Description
Die Erfindung betrifft eine Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektri
sche Energiespeicherelemente, insbesondere Kondensatoren, mit je einer für je
des Energiespeicherelement vorgesehenen Bypass-Schaltung zum Begrenzen der
Ladespannung am jeweiligen Energiespeicherelement durch zumindest teilweise
Umleitung des Ladestroms auf die Bypass-Schaltung, sowie einen Energiespei
cher, insbesondere zur Stromausfallpufferung, mit einer Anzahl von in Reihe ge
schalteten elektrischen Energiespeicherelementen und je einer Symmetrierschal
tung für jedes Energiespeicherelement.
Elektrische Energiespeicherelemente, wie Kondensatoren, verfügen gemeinhin
über einen begrenzten Energieinhalt, der nicht für alle Anwendungsfälle ausreicht.
Es ist daher meist nötig, solche Energiespeicherelemente zu Speichermodulen zu
sammenzuschalten. Um hierbei hohe Spannungswerte erreichen zu können - wie
dies insbesondere bei einer Stromausfallpufferung für am Stromnetz betriebene
Geräte unverzichtbar ist - müssen bei niedrigen Nennspannungswerten der Ein
zelelemente eine Vielzahl von Energiespeicherelementen in Reihe geschaltet wer
den.
Insbesondere beim Aufladen von in Reihe geschalteten elektrischen Energiespei
cherelementen muss gewährleistet sein, dass kein einziges der Energiespeicher
elemente spannungsmäßig überlastet wird. Sowohl bei Akkumulatoren als auch bei
Kondensatoren kann die Gefahr einer Überlastung eines einzelnen Elements beim
Aufladen bestehen, wenn dieser bereits auf die Nennspannung aufgeladen ist,
während andere Elemente noch deutlich von der Nennspannung entfernt sind und
deshalb noch weiter aufgeladen werden.
Besonders leistungsfähig, aber auch mit einer ungewöhnlich kleinen Nennspan
nung versehen sind Doppelschichtkondensatoren, die kein elektrisch isolierendes
Dielektrikum enthalten, sondern zwischen ihren beiden Elektroden einen Elektro
lyten aufweisen: Die Speicherung der elektrischen Energie erfolgt hier durch La
dungsverschiebung an den Grenzflächen zwischen den Elektroden und dem Elek
trolyten. Hierdurch werden sehr große Kapazitätswerte erzielt, wobei gleichzeitig
jedoch die zulässige Spannung auf wenige Volt, typischerweise etwa 2,7 V be
schränkt ist, da es darüber zu irreversiblen Veränderung des Elektrolyten kom
men kann. Die höchstzulässige, praktisch nutzbare Spannung an einem mit sol
chen Kondensatoren in Reihenschaltung aufgebauten Speichermodul ist dadurch
begrenzt, dass kein einzelner Kondensator sein zulässiges Spannungsmaximum
überschreiten darf. Diese höchstzulässige Spannung liegt im allgemeinen deut
lich unter der theoretischen Grenze von idealen Elementen. Dies ist deshalb be
sonders nachteilig, weil sowohl die speicherbare Energie als auch die entnehm
bare Maximalleistung quadratisch von der Modulspannung abhängen.
Um den Nenn-Energieinhalt eines jeden einzelnen Kondensators voll ausnutzen zu
können, wird daher jeder Kondensator mit einer Symmetrierschaltung versehen,
die erkennt, wenn die Klemmenspannung beim Laden, also die Ladespannung, den
Nennwert übersteigt und dem weiteren Ansteigen der Ladespannung durch eine
Bypass-Schaltung entgegenwirkt, welche den Ladestrom teilweise oder ganz am
Kondensator vorbei führt. Die einfachste Maßnahme zur Symmetrierung der Span
nungsaufteilung bei in Reihe geschalteten Kondensatoren besteht darin, den ein
zelnen Elementen ohmsche Widerstände parallel zu schalten. Hiermit sind jedoch
permanente Verluste verbunden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun
de, eine Symmetrierschaltung der eingangs genannten Art zu verbessern, sowie
einen damit ausgestatteten Energiespeicher zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe ist gelöst durch eine Symmetrierschaltung mit den Merkmalen des
beigefügten Patentanspruchs 1 sowie durch einen Energiespeicher mit den Merk
malen des beigefügten Patentanspruchs 8. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren
zum Aufladen eines mit einer erfindungsgemäßen Symmetrierschaltung versehe
nen Energiespeicherelements findet sich im beigefügten Patentanspruch 7.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Symmetrierschaltung ergeben sich aus den An
sprüchen 2 bis 6; vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energie
speichers sind in den Ansprüchen 9 und 10 enthalten.
Die erfindungsgemäße Bypass-Schaltung enthält also statt eines ohmschen Wider
stands eine vom Energiespeicherelement gespeiste, mit aktiven elektrischen Bau
elementen realisierte, spannungsgesteuerte Stromquelle zum Generieren eines
Bypass-Stroms. Aus der Sicht des jeweiligen Energiespeicherelements stellt sich
die Bypass-Schaltung als spannungsgesteuerte Stromsenke dar, so dass bei ent
sprechender Ansteuerung tatsächlich eine Spannungsbegrenzung stattfindet, und
zwar nur oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes der Klemmenspannung, wo
bei die Begrenzung vorteilhafterweise kontinuierlich einsetzt. Es ist ohne weiteres
möglich, durch geeignete Dimensionierung der Schaltung einen linearen Zusam
menhang zwischen dem Bypass-Strom und der unerwünschten Nenn-Überspan
nung einzustellen. Unterhalb des Spannungsnennwerts bleibt die Bypass-Schal
tung unwirksam und daher verlustfrei, wobei ein stetiger Übergang aus dem un
wirksamen in den begrenzenden Bereich gegeben ist. Bei Bedarf ist auch ein ge
wünschtes kontrolliertes Überfahren der Nennspannungsschwelle möglich.
Bevorzugt wird die spannungsgesteuerte Stromquelle im wesentlichen durch min
destens einen Leistungstransistor, beispielsweise einen MOSFET oder einen Bi
polartransistor gebildet. Dieser Leistungstransistor stellt dann anstatt eines ohm
schen Widerstands die notwendige Verlustsenke dar. Er übernimmt also neben der
Schaltfunktion für einen ohmschen Parallelwiderstand auch die Funktion des ohm
schen Widerstands.
Der Vorteil des spannungsgesteuerten MOSFETs ist seine hohe Stromverstär
kungseigenschaft; allerdings ist der Mindestwert für die notwendige Gate-Source-
Spannung für Mindestladeströme im Ampère-Bereich, wie insbesondere für Dop
pelschichtkondensatoren erwünscht, zu hoch. Je nach Einsatzfall braucht man
deshalb für die Ansteuerung des MOSFETs ein separates Schaltnetzteil zum
Hochsetzen der Steuerspannung.
Beim stromgesteuerten Bipolartransistor liegen die Verhältnisse umgekehrt: Die
notwendige Basisspannung ist zwar vorteilhaft gering; der Basisstrom jedoch, der
benötigt wird, um den Bipolartransistor hinreichend niederohmig aufsteuern zu
können, kann problematisch sein. Um bei benötigten Bypass-Strömen von mehre
ren Ampère eine hinreichende Stromverstärkung sicherstellen zu können, kann es
beispielsweise notwendig werden, eine aus zwei oder mehreren Bipolartransisto
ren bestehende Endstufe in Darlington-Schaltung aufzubauen.
Ein Leistungstransistor als Stromquelle kann dadurch spannungsgesteuert betrie
ben werden, dass ein Operationsverstärker vorgesehen ist, an dessen ersten Ein
gang eine Spannung anliegt, die der über dem Leistungstransistor liegenden Span
nung entspricht, und dessem zweiten Eingang eine Referenzspannung aufge
schaltet wird, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers zum Ansteuern des
Leistungstransistors mit dessen Basis bzw. Gate verbunden ist. Der Operations
verstärker kann hierbei in einem integrierten Schaltkreis enthalten sein, der außer
dem noch eine Referenzspannungsquelle enthält. Je nach angebotener Referenz
spannung kann der erste Eingang des Operationsverstärkers über einen von ohm
schen Widerständen gebildeten Spannungsteiler parallel zu den Anschlussklem
men des Leistungstransistors geschaltet werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die spannungsgesteuerte Stromquelle um ei
nen digitalen Signalausgang erweitert wird. Dieser meldet, wenn ein Bypass-Strom
fließt, woraus sich die Information ableiten lässt, ob das zugehörige Energiespei
cherelement bereits die Schwellenspannung überschritten hat und damit - bei nicht
zu hohen Ladeströmen - auf den Nennenergieinhalt aufgeladen ist.
Bevorzugt kann die Erkennung und Meldung eines fließenden Bypass-Stromes über
einen Optokoppler ausgegeben werden. Dies führt zu einer potentialfreien Rück
meldung des Ladezustands jedes einzelnen Energiespeicherelements und ermög
licht somit eine einfache logische Verschaltung der Zustandssignale. Wird zum
Beispiel die Aufladung eines Moduls mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten
Energiespeicherelementen so lange weitergeführt, bis jeder Optokoppler einen By
pass-Strom meldet, wird der gesamte erzielbare Nenn-Speicherinhalt alter Energie
speicherelemente zu 100% ausgenutzt.
Das Erkennen und Melden eines fließenden Bypass-Stromes über den digitalen
Signalausgang der erfindungsgemäßen Symmetrierschaltung ermöglicht darüber
hinaus ein besonders vorteilhaftes schnelles Aufladen des Energiespeicherele
ments bzw. eines aus einer Anzahl von Energiespeicherelementen aufgebauten
Energiespeichers, bei dem die digitalen Signalausgänge in einer ODER-Logik ver
schaltet sind: Die Bypass-Schaltung ist naturgemäß nur für einen gewissen Maxi
malwert eines Bypass-Stromes ausgelegt, so dass zunächst der Ladestrom für das
mit der Symmetrierschaltung versehene elektrische Energiespeicherelement
grundsätzlich nicht über diesem Maximalwert liegen darf, da beim Überschreiten
der Nennspannung des Energiespeicherelements der gesamte Ladestrom durch
die Bypass-Schaltung fließen soll. Insbesondere um ein schnelleres Aufladen des
Energiespeicherelements zu ermöglichen, ist es jedoch in den meisten Fällen wün
schenswert, einen sehr viel höheren Ladestrom vorzusehen. Dies ist mit dem be
vorzugt vorhandenen digitalen Signalausgang in der Symmetrierschaltung möglich:
Sobald erkannt und gemeldet wird, dass ein Bypass-Strom zu fließen beginnt, kann der Ladestrom auf einen Wert abgesenkt werden, der eine Überlastung der Bypass-Schaltung ausschließt. Durch dieses besonders bevorzugte Ladeverfahren kann also, solange die Klemmenspannung des Energiespeicherelements nicht we sentlich über der Nennspannung liegt, auch mit sehr hohen Stromstärken aufgela den werden.
Sobald erkannt und gemeldet wird, dass ein Bypass-Strom zu fließen beginnt, kann der Ladestrom auf einen Wert abgesenkt werden, der eine Überlastung der Bypass-Schaltung ausschließt. Durch dieses besonders bevorzugte Ladeverfahren kann also, solange die Klemmenspannung des Energiespeicherelements nicht we sentlich über der Nennspannung liegt, auch mit sehr hohen Stromstärken aufgela den werden.
Ein Energiespeicher, der eine Anzahl von in Reihe geschalteten elektrischen Ener
giespeicherelementen enthält und bevorzugt zur Stromausfallpufferung verwendet
wird, kann also dann, wenn er mit erfindungsgemäßen Symmetrierschaltungen
ausgestattet ist, einen sehr viel höheren Ausnutzungsgrad erzielen, als herkömmli
che Energiespeicher. Wenn alle Symmetrierschaltungen eines solchen Energie
speichers zur Erkennung und Meldung eines fließenden Bypass-Stroms mit einem
Optokoppler versehen sind, deren Zustandssignale mit einer ODER-Logik und ei
ner UND-Logik verschaltet sind, ergibt sich eine optimale Führung des Energie
speichers: Sobald mindestens ein Optokoppler einen Bypass-Strom meldet (er
kennbar über die ODER-Logik), liegt die Information vor, dass mindestens eines
der Energiespeicherelemente seine Nennspannung überschritten hat. Sobald alle
Optokoppler einen Bypass-Strom melden (erkennbar über die UND-Logik), ist klar,
dass alle Energiespeicherelemente mindestens auf ihren Nenn-Energieinhalt auf
geladen sind; der Ladevorgang kann dann beendet werden. Auch hier ist es zur
Erzielung eines vorteilhaften "Schnelllade"-Effekts mit hohen Stromstärken, die die
einzelnen Bypass-Schaltungen an sich überfordern würden, vorteilhaft, wenn Mittel
zum Begrenzen oder Regeln des Ladestroms in Abhängigkeit von den Signalen der
Optokoppler vorhanden sind; denn dann kann ein hoher Ladestrom heruntergere
gelt werden, sobald mindestens eines der Energiespeicherelemente seine Nenn
spannung überschritten hat und die zugehörige Bypass-Schaltung teilweise mit
dem Ladestrom beaufschlagt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert, wobei
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für eine erfindungsgemäße Symmetrierschaltung,
Fig. 2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 ein Diagramm eines Versuchsergebnisses und
Fig. 5 ein Diagramm eines weiteren Versuchsergebnisses zeigt.
Das Prinzipschaltbild in Fig. 1 zeigt beispielhaft die erfindungsgemäße Sym
metrierung der Spannungsaufteilung einer Kondensatorreihenschaltung mit parallel
geschalteten, spannungsgesteuerten Stromquellen 1, 2. Die beiden hier darge
stellten, in Reihe geschalteten Kondensatoren sind durch jeweils einen idealen
Kondensator C1 und C2, jeweils einen dazu parallel liegenden Entladewiderstand
RE,1 und RE,2 sowie jeweils einen Vorwiderstand RV,1 und RV,2 modelliert. Die
Spannung an jedem realen Kondensator ist dann durch uA,1 bzw. uA,2 gegeben.
Parallel zum jeweiligen realen Kondensator ist je eine Bypass-Schaltung 3 bzw. 4
geschaltet. Diese Bypass-Schaltungen 3 und 4 bestehen jeweils prinzipiell aus ei
ner Stromquelle 1 bzw. 2, die von einer parallel dazu geschalteten Spannungs
messeinheit 5 bzw. 6 gemäß einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang
mit der Spannung uA,1 bzw. uA,2 gesteuert wird. Der oberhalb einer voreingestellten
Schwellenspannung fließende Strom iBypass reduziert die in die jeweiligen idealen
Kondensatoren C1 und C2 fließenden Teilströme iC1 und iC2, wobei sich der Ge
samtladestrom iReihe selbstverständlich nicht ändert. Hierdurch wird der Anstieg der
Spannung ui1 bzw. ui2 an den idealen Kondensatoren C1 und C2 reduziert bzw. ge
stoppt.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Realisierung einer erfindungsgemäßen spannungs
gesteuerten Stromquelle mit einem als MOSFET ausgebildeten Leistungstransistor
T. Dem (realen) Kondensator 7, der mit weiteren (nicht dargestellten) Kondensato
ren in Reihe geschaltet ist, ist eine links von der durchbrochenen Linie gezeigte
Bypass-Schaltung parallel geschaltet. Der Bypass-Strom iBypass wird über einen
Messwiderstand RMess geleitet, an dem das Fließen eines Bypass-Stroms iBypass
detektiert werden kann. Das Kernstück der Bypass-Schaltung ist der als MOSFET
ausgestaltete Leistungstransistor T, über dessen Drain-Source-Strecke die Span
nung uT abfällt. Im Bypass-Betrieb wird die Spannung uT auf die Kondensatornenn
spannung geregelt, wodurch der Bypass-Strom iBypass proportional zur Spannungs
differenz (uA-uT) ansteigt. Die wiederum zum Leistungstransistor T parallel ge
schalteten ohmschen Widerstände R1 und R2 führen die herabgeteilte Spannung uT
auf einen Operationsverstärker OPV. Der Operationsverstärker OPV steuert mit
seinem Ausgang das Gate des Leistungstransistors T, und zwar abhängig von der
Differenz zwischen der an seinem positiven Eingang anliegenden, herabgeteilten
Spannung uT und einer an seinem negativen Eingang anliegenden Referenzspan
nung URef. Um die Drain-Source-Strecke des MOSFETs hinreichend niederohmig
aufsteuern zu können, muss der ansteuernde Operationsverstärker OPV eine Min
destspannung von typischerweise 5 V liefern können. Hierfür muss insbesondere
dann, wenn es sich beim Kondensator 7 um einen Doppelschichtkondensator mit
einer typischen Maximalspannung von 2,7 V handelt, ein Schaltnetzteil 8 zur
Spannungserhöhung der OPV-Versorgung vorhanden sein.
Das in Fig. 3 gezeigte Prinzipschaltbild unterscheidet sich im wesentlichen von
dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer spannungsgesteuerten Strom
quelle durch die Ausgestaltung des Leistungstransistors T: Der hier verwendete
Leistungstransistor T besteht aus zwei Bipolartransistoren, die als Darlington-
Endstufe verschaltet sind. Die Darlington-Schaltung ist insbesondere dann not
wendig, wenn Bypassströme iBypass von mehreren Ampere fließen sollen. Zum An
steuern der Bipolartransistoren in Darlington-Schaltung sind primär die zwei Basis-
Emitter-Spannungen zu überwinden, so dass der hier wiederum für die Regelung
benötigte Operationsverstärker OPV kein separates Schaltnetzteil zur Spannungs
erhöhung braucht, sondern mit der über dem Leistungstransistor T liegenden
Spannung uT versorgt werden kann. Die restlichen Elemente der hier gezeigten
Schaltung sind gegenüber der Prinzipschaltung aus Fig. 2 unverändert, so dass
im übrigen auf die Beschreibung der Fig. 2 verwiesen werden kann.
Fig. 4 zeigt ein Versuchsergebnis, bei dem ein mit einer Bypassschaltung gemäß
Fig. 3 versehener Doppelschichtkondensator mit einem Ladestrom von 5 Ampere
aufgeladen wird. Im Unterschied zu dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau besteht der
Leistungstransistor der Bypass-Schaltung allerdings aus drei als Darlington-End
stufe verschalteten pnp-Transistoren. Aufgetragen über der Zeit ist der Verlauf der
Kondensatorklemmenspannung uA, des Bypass-Stroms iBypass sowie der Spannung
an der Basis der Darlington-Konfiguration uB,Darlington. Man erkennt, wie ab uA = 2,3 V
der zunächst lineare Anstieg der Spannung uA zunehmend abgebremst wird, weil
ein immer größerer Teil des Ladestromes auf die Bypass-Schaltung umgeleitet
wird. Wenn der komplette Ladestrom über die Bypass-Schaltung fließt, bleibt die
Kondensatorspannung uA auf ihrem momentanen Wert von hier ca. uA = 2,7 V ste
hen. Nach dem Abschalten des Ladestromes an der Stelle t = 100 s setzt über die
Bypass-Schaltung die Entladung des Kondensators ein, welche so lange andauert,
bis sich die Kondensatorspannung wieder auf uA = 2,3 V reduziert hat. Am dritten
Kurvenverlauf in Fig. 4 kann man erkennen, dass die Ansteuerspannung
uB,Darlington an der Basis der Darlington-Konfiguration von der positiven Aussteuer
grenze auf einen hinreichend kleinen Wert springen muss, um den Darlington auf
zusteuern. Wegen des ca. 1,8 V hohen Spannungssprunges von uB,Darlington beim
Übergang in den Bypass-Betrieb kann durch ein den Basis-Emitter-Strecken pa
rallel geschalteten Optokoppler sehr einfach, exakt und potentialgetrennt der By
pass-Zustand abgefragt werden.
Anhand eines weiteren Versuchsergebnisses, das in Fig. 5 dargestellt ist, wird
beispielhaft die spannungssymmetrierende Wirkung der erfindungsgemäßen Sym
metrierschaltung veranschaulicht. Es wurden zwei Kondensatoren C1 und C2 mit
unterschiedlichen Kapazitäten (C2 = 2 C1) in Reihe geschaltet und mit einem Lade
strom von 5A aufgeladen. Um die symmetrierende Wirkung gleichzeitig auch bei
unterschiedlichen Anfangsspannungen zu demonstrieren, wurde letztere beim
ersten Kondensator merklich höher gewählt als beim zweiten Kondensator. Da sich
der erste Kondensator wegen der kleineren Kapazität C1 aber sowieso schneller
auflud, überschritt er umso früher die Spannungsschwelle von uA = 2,3 V, als der
zweite Kondensator. Entsprechend früher wurde bei ihm die Bypass-Schaltung ak
tiv und begrenzte die Klemmenspannung uA(C1) auf zulässige Werte. Der Lade-
Strom iLade wurde abgeschaltet, kurz nachdem auch die Spannung uA(C2) am
zweiten Kondensator den erwünschten Nennwert uA = 2,3 V überschritten hatte.
Man erkennt, dass durch die Wirkung der spannungsgesteuerten Stromquellen
nach dem Abschalten des Ladestroms iLade der Kondensator mit der höheren
Spannung deutlich schneller entladen wird, und dadurch die beiden Kondensator
spannungen nach recht kurzer Zeit in einen praktisch identischen Spannungsver
lauf übergehen.
Die größten Vorteile der erfindungsgemäßen Symmetrierschaltung entfalten sich
bei Energiespeichern mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Doppelschicht
kondensatoren. Mit Rücksicht auf die herstellerseitig angegebenen Kapazitätstole
ranzen könnte ein solcher Energiespeicher ohne Symmetrierschaltung nur so be
trieben werden, dass jeder Teilkondensator im Mittel nur noch mit etwas mehr als
der halben Nennspannung ausgenutzt werden kann, um im stationären Betrieb des
Energiespeichers die spannungsmäßige Überlastung einzelner Elemente sicher
auszuschließen: Ausgehend vom vollständig entladenen Zustand könnten beson
ders niederkapazitive Teilkondensatoren bereits die Nennspannung erreichen,
wenn besonders hochkapazitive Teilkondensatoren erst auf ca. 55% der Nenn
spannung aufgeladen wären.
Beim Lade-Entlade-Betrieb eines Energiespeichers mit in Reihe geschalteten
Energiespeicherelementen erfolgt durch die erfindungsgemäße Symmetrierschaltung
schließlich ein regelmäßiges Nachsymmetrieren: Durch eine initialisierende sym
metrische Vollladung aller Teilkondensatoren auf den Nennspannungswert fallen
die Teilkondensatorspannungen bei einer Entladung umgekehrt proportional zu
ihren jeweiligen Kapazitäten ab. Die Bypass-Schaltungen bleiben dabei ohne Ein
fluss, da sie unterhalb der Nennspannung nicht wirksam sind. Bei einer Wieder
aufladung steigen die Teilspannungen der Teilkondensatoren umgekehrt proportio
nal zu ihrer Kapazität an und treffen sich nur im Idealfall wieder exakt beim Nenn
spannungswert. Wenn bei jedem Wiederaufladen für ein "Überfahren" der Nenn
spannung gesorgt wird, wird durch die spannungsgesteuerte Zu- und Abschaltung
der erfindungsgemäßen Bypass-Schaltungen automatisch eine Nachsymmetrierung
durchgeführt. Da dieses Verhalten unabhängig von Verlauf und Höhe des Lade
stromes ist, kann also insgesamt auch mit deutlich höheren Strömen als bisher
geladen werden, ohne je einen Teilkondensator spannungsmäßig zu gefährden.
Claims (10)
1. Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherele
mente, insbesondere Kondensatoren, mit je einer für jedes Energiespeicherele
ment vorgesehenen Bypass-Schaltung (3, 4) zum Begrenzen der Ladespannung
(uA) oder des Ladespannungsanstiegs am jeweiligen Energiespeicherelement
durch zumindest teilweise Umleitung des Ladestroms (iLade) auf die Bypass-
Schaltung (3, 4),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bypass-Schaltung (3, 4) eine vom Energiespeicherelement gespeiste,
spannungsgesteuerte Stromquelle (1, 2) zum Generieren eines Bypass-Stroms
(iBypass) enthält.
2. Symmetrierschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die spannungsgesteuerte Stromquelle (1, 2) im wesentlichen durch mindes
tens einen Leistungstransistor (T) gebildet ist.
3. Symmetrierschaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Leistungstransistor (T) ein MOSFET oder ein Bipolartransistor ist.
4. Symmetrierschaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Operationsverstärker (OPV) vorgesehen ist, an dessen ersten Eingang
(+) eine Spannung anliegt, die der über dem Leistungstransistor (T) liegenden
Spannung (uT) entspricht, und dessem zweiten Eingang (-) eine Referenzspan
nung (URef) aufgeschaltet ist, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers (OPV)
zum Ansteuern des Leistungstransistors (T) mit dessen Basis oder Gate verbunden
ist.
5. Symmetrierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Erkennung und Meldung eines Bypass-Stromes (iBypass) ein digitaler Sig
nalausgang, insbesondere ein Optokoppler vorgesehen ist.
6. Symmetrierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Energiespeicherelemente Doppelschichtkondensatoren sind.
7. Verfahren zum Aufladen eines elektrischen Energiespeicherelements mit einer
Symmetrierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Energiespeicherelement mit einem Ladestrom beaufschlagt wird, dessen Stromstärke über dem Wert liegt, für den die Bypass-Schaltung ausgelegt ist, und
dass der Ladestrom auf oder unter diesen Wert abgesenkt wird, sobald Strom durch die Bypass-Schaltung fließt.
dadurch gekennzeichnet,
dass das Energiespeicherelement mit einem Ladestrom beaufschlagt wird, dessen Stromstärke über dem Wert liegt, für den die Bypass-Schaltung ausgelegt ist, und
dass der Ladestrom auf oder unter diesen Wert abgesenkt wird, sobald Strom durch die Bypass-Schaltung fließt.
8. Energiespeicher, insbesondere zur Stromausfallpufferung, mit einer Anzahl von
in Reihe geschalteten elektrischen Energiespeicherelementen und je einer Sym
metrierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für jedes Energiespeicherele
ment.
9. Energiespeicher nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass alle Symmetrierschaltungen zur Erkennung und Meldung eines fließenden
Bypass-Stromes (iBypass) mit je einem Optokoppler versehen sind, wobei die Opto
koppler mit einer ODER-Logik sowie einer UND-Logik verschaltet sind.
10. Energiespeicher nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass Mittel zum Begrenzen oder Regeln des Ladestroms (iLade) in Abhängigkeit von
den Signalen der Optokoppler vorhanden sind.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000139407 DE10039407A1 (de) | 2000-08-12 | 2000-08-12 | Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherelemente |
EP01115070A EP1184952A3 (de) | 2000-08-12 | 2001-06-21 | Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherelemente |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000139407 DE10039407A1 (de) | 2000-08-12 | 2000-08-12 | Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherelemente |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10039407A1 true DE10039407A1 (de) | 2002-02-21 |
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ID=7652199
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1184952A3 (de) |
DE (1) | DE10039407A1 (de) |
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