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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Energiespeicher, insbesondere zum Überspannungs- und Kurzschlußschutz eines kapazitiven Energiespeichers oder von Akkumulatoren, mit einer elektronischen Lade- bzw. Entladeschaltung.
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Als Energiespeicher zu industriellen Anwendungen, in denen Antriebsenergie oder Bremswege elektrischer Motoren zwischengespeichert werden müssen, werden insbesondere hochkapazitive Energiespeicher verwendet, wobei Energiespeicher auf der Basis von Doppelschichtkondensatoren (EDLC) besonders günstig hinsichtlich Kapazität pro Masse sind und daher zur Sicherung eines hohen Wirkungsgrades der Energieübertragungsstrecke beitragen.
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Als Energiespeicher werden bevorzugt sogenannte Supercaps (elektrochemische Doppelschichtkondensatoren) eingesetzt, die eine hohe Energiemenge für eine kurze Zeitdauer bereitzustellen in der Lage sind und unter Nennbedingungen eine sehr hohe Anzahl von Ladezyklen ermöglichen. Diesen Vorteilen steht jedoch als Nachteil gegenüber, dass eine maximale Gesamtspannung der durch Reihen- oder Parallelschaltung zur Kaskade verschalteten Einzelkondensatoren des Supercaps eingehalten werden muss, wenn der betriebsmäßige Nennwert aus Ausnutzungsgründen an die maximale Gesamtspannung heranreicht. Andernfalls kann die Spannung an den Einzelkondensatoren die maximal zulässige Gebrauchsspannung überschreiten, was eine Zersetzung des Elektrolyts und somit irreparable Schädigung der Supercap-Zellen zur Folge haben würde.
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Zum Überspannungsschutz kommen im Stand der Technik häufig sogenannte Shunt-Regler zum Einsatz, die allerdings aus Gründen der energetischen Effizienz keine echte Alternative darstellen, da sie den enormen Nachteil aufweisen, dass sie die Überspannung ungenutzt über einen Widerstand ableiten, um die überschüssige Spannung abzubauen.
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Um das Entstehen schädlicher Überspannungen auszuschließen, ist es zudem auch bekannt, dem Energiespeicher eine Baugruppe vorzuschalten, die mit einem Überspannungsschutz ausgestattet ist, wobei dieser Überspannungsschutz dadurch realisiert werden kann, dass der kapazitive Energiespeicher von der Einspeisung mittels eines Schalters, vorteilhafterweise mittels eines elektronischen Leistungsschalters, getrennt wird, sobald am kapazitiven Energiespeicher ein vorgegebener Spannungswert überschritten wird.
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Hierzu werden Leistungsschalter eingesetzt, die serienmäßig über einen integrierten Überspannungs- und Überstromschutz verfügen. Die Verwendung solcher Leistungsschalter mit eingebautem Überspannungsschutz ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass bei Energieentnahme aus dem kapazitiven Energiespeicher der Laststrom beim Durchfließen des elektronischen Leistungsschalters auch über die für den Überspannungsschutz funktionell notwendige Diode im Leistungsschalter geleitet werden muss, welche jedoch eine relativ geringe Strombelastbarkeit besitzt.
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Fließt daher im Entladezustand ein Strom über diese Schutzdiode des Leistungsschalters, entsteht insbesondere bei größeren Lastströmen ein Energieverlust in ungünstiger Relation zur Energieaufnahme des Lastkreises.
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Die in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Einsatz kommende elektronische Lade- bzw. Entladeschaltung sieht vorteilhafterweise lediglich die Nutzung eines einzigen steuerbaren Leistungsschalters vor, mit dem aber der Überspannungs- und Überstromschutz sowie Kurzschlußschutz des Energiespeichers sowohl im Auflade- als auch im Entladebetrieb des Energiespeichers trotz geringen apparativen Aufwandes zuverlässig gewährleistet werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit einem Energiespeicher anzugeben, die einen zuverlässigen Schutz des Energiespeichers und peripherer Baugruppen vor Überspannungen und Überströmen, sowie einen Kurzschlußschutz gewährleistet und die einen einfachen, kostengünstigeren Aufbau unter intelligenterem multifunktonalen Einsatz von Schaltungskomponenten besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaltungsanordnung mit einem Energiespeicher, insbesondere zum Überspannungs- und Kurzschlußschutz eines kapazitiven Energiespeichers oder von Akkumulatoren, mit einer elektronischen Lade- bzw. Entladeschaltung, zeichnet sich durch eine Lade- bzw. Entladeschaltung aus, die einen steuerbaren Leistungsschalter enthält, der so verschaltet ist, dass er im Fall des Überspannungsschutzes „vor” dem Energiespeicher, aber im Fall des Überstromschutzes „nach” dem Energiespeicher wirkt.
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Dieser je nach Betriebsfall vorgeschaltet oder nachgeschaltet wirkende Leistungsschalter muss hierzu lediglich mit wenigen weiteren elektronischen Bauteilen kombiniert werden und ist selber als sogenannter „intelligenter” Leistungsschalter ausgebildet, der über einen Steuereingang verfügt, so dass die Ab- und Einschaltung des Leistungsschalters über diesen Steuereingang ausgelöst werden kann.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist insbesondere zum Schutz vor Überspannungen und Überströmen zum abgesicherten Aufladen und Entladen von kapazitiven Energiespeichern, insbesondere von hochkapazitiven Energiespeichern auf der Basis eines oder mehrerer Doppelschichtkondensatoren sowie als Kurzschlußschutz, geeignet, da dieser Kondensatortyp besonders empfindlich und anfällig gegen ein Überladen bzw. Überentladen ist.
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Durch den Einsatz zweier Dioden wird für die Aufladung und die Entladung des Energiespeichers jeweils ein Stromflusspfad gebildet, der so geschaltet ist, dass der dem Energiespeicher zufließende Ladestrom und der vom Energiespeicher abfließende Entladestrom jeweils durch den Leistungsschalter geleitet wird.
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Indem der Leistungsschalter von einer die Spannung im Energiespeicher überwachenden Einrichtung (Spannungsüberwachungseinrichtung) angesteuert wird, und indem ein von dieser Spannungsüberwachungseinrichtung bei Erreichen eines Ladespannungsgrenzwertes im Energiespeicher erzeugtes Signal über eine Steuerleitung an den Steueranschluss des Leistungsschalters angelegt wird, ist der Lade- bzw. Entladestromkreis bei Erreichen einer maximalen Ladespannung, also wenn der Energiespeicher vollständig geladen ist, sofort mittels des Leistungsschalters unterbrechbar.
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Vorzugsweise sind in den steuerbaren Leistungsschalter die bereits genannten Funktionen Überstromschutz und Übertemperaturschutz integriert, so dass zusätzlich zum Überspannungsschutz mittels vorerläuterter externer Ansteuerung auch ein Schutz vor Überströmen und Übertemperaturen im Lade- bzw. Entlademodus gegeben ist, welche ebenfalls den Energiespeicher und nachgeschaltete periphere Baugruppen schädigen könnten.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängte Zeichnung beschrieben, bei welcher die einzige Figur einen Schaltplan einer elektronischen Lade- bzw. Entladeschaltung zeigt, die in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen eines Energiespeichers (ebenfalls gezeigt) verwendet wird.
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Anhand dieses schematischen Schaltplans soll zunächst der Stromlauf beim Aufladen des kapazitiven Energiespeichers 1 geschildert werden. Der Einganganschluss E des Leistungsschalters 8 ist mit dem ersten, positiven Eingangsanschluss 3 des Spannungseingangs verbunden, während der Ausgangsanschluss A des Leistungsschalters 8 mit einer in Durchlassrichtung gepolten Diode 9 verbunden ist, so dass im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalters 8 ein dem positiven Eingangsanschluss 3 zugeführter Strom den Leistungsschalter 8 und daraufhin die Diode 9 durchfließt. Diese Diode 9 ist wiederum mit dem positiven Anschluss 12 des kapazitiven Energiespeichers 1 verbunden, so dass der vom positiven Eingangsanschluss 3 zugeführte Ladestrom (bei eingeschaltetem Leistungsschalter 8) dem positiven Anschluss 12 des kapazitiven Energiespeichers 1 zugeleitet wird. Der Ladestrom fließt durch den kapazitiven Energiespeicher 1 hindurch und lädt ihn dabei auf, um schließlich über den negativen Anschluss 13 des Energiespeichers 1, der mit der Bezugsleitung 7 verbunden ist, wieder zurück in den zweiten, negativen Eingangsanschluss 4 und die nicht dargestellte, einspeisende Spannungsquelle zu fließen.
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Durch diesen vorgeschilderten Ladestromfluss baut sich eine Ladespannung am kapazitiven Energiespeicher 1 auf, die jedoch eine Maximalspannung, bei der der kapazitive Energiespeicher 1 maximal aufgeladen ist, auf keinen Fall übersteigen darf, weshalb die momentan am Energiespeicher 1 anliegende Spannung kontinuierlich von einer parallelgeschalteten Spannungsüberwachungseinrichtung 11 gemessen und ausgewertet wird. Zur Versorgung der Spannungsüberwachungseinrichtung 11 mit einer für deren Betrieb notwendigen Versorgungsspannung ist ein Versorgungsanschluss V der Spannungsüberwachungseinrichtung 11 mit einer einspeisenden Quelle, im vorliegenden Fall mit dem positiven Eingangsanschluss 3 des Spannungseingangs, verbunden, während ein Masseanschluss M der Spannungsüberwachungseinrichtung 11 an eine gemeinsame als Bezugspotential dienende Bezugsleitung 7 der Lade- bzw. Entladeschaltung 2 angeschlossen ist. Der Versorgungsanschluss V kann jedoch optional statt mit dem Eingangsanschluss 3 mit dem positiven Anschluss 12 des kapazitiven Energiespeichers 1 verbunden sein, so dass der kapazitive Energiespeicher 1 nicht nur zur Speisung der an die Lastkreisanschlüsse 5, 6 angeschlossenen Lasten, sondern auch zur Speisung der Spannungsüberwachungseinrichtung 11 dient, wodurch eine externe Spannungsversorgung insoweit nicht mehr erforderlich ist.
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Ein Ausgangsanschluss OUT der Spannungsüberwachungseinrichtung 11 ist über eine Steuerleitung mit einem Steueranschluss C des Leistungsschalters 8 verbunden, um bei Erreichen eines Ladespannungsgrenzwertes im kapazitiven Energiespeicher 1 ein Ladeunterbrechungssignal von der Spannungsüberwachungseinrichtung 11 über diese Steuerleitung an den Leistungsschalter 8 abgeben zu können.
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Ein erster Eingangsanschluss S der Spannungsüberwachungseinrichtung 11 ist mit dem positiven Anschluss 12 des kapazitiven Energiespeichers 1 verbunden, um die am Energiespeicher 1 anliegende Spannung kontinuierlich aufzunehmen und bei Überschreiten eines vorgegebenen, maximal zulässigen Spannungswertes ein vorgeschildertes Ladeunterbrechungssignal für den Leistungsschalter 8 zu generieren. Ein weiterer Eingangsanschluss R der Spannungsüberwachungseinrichtung 11 ist mit dem positiven Lastkreisanschluss 5 verbunden, um bei Detektion eines den kapazitiven Energiespeicher 1 wieder entladenden Laststromes ein „Reset” der Spannungsüberwachungseinrichtung 11, d. h. ein Zurückversetzen in ihren Ausgangszustand ohne erzeugtes Ladeunterbrechungssignal zu bewirken.
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Als kapazitiver Energiespeicher 1 werden mehrere durch Reihen- oder Parallelschaltung (Kaskadierung) zu großen Kapazitäten miteinander verknüpfte Doppelschichtkondensatoren EDLC verwendet, wobei jedoch trotz Kaskadierung die begrenzte Gebrauchsspannung der einzelnen Kondensatorzellen EDLC nicht überschritten werden darf (Gefahr der Elektrolytzersetzung!). Solche kaskadierten und werkseitig symmetrierten Doppelschichtkondensator EDLC-Module werden unter verschiedenen Namen (Supercap, Goldcap, Ultracap...) kommerzialisiert und dürfen nur bis zu einem auf dem jeweiligen Bauelement angegebenen, maximalen Spannungswert (Nennwert) betrieben werden.
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Erreicht die Spannung am Energiespeicher 1 diesen Nennwert, unterbricht die Spannungsüberwachungseinrichtung 11 über die Verbindung mit dem Steueranschluss C des Leistungsschalters 8 die Aufladung des Energiespeichers 1.
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Um eine Spannungs- und Strombegrenzung unter allen Bedingungen (Auflade- oder Entladebetrieb) zu verwirklichen, ist eine zweite Diode 10 vorgesehen, die zwischen dem positiven Anschluss 12 des kapazitiven Energiespeichers 1 und dem Eingangsanschluss E des Leistungsschalters 8 geschaltet ist. Diese zweite Diode 10 ist derart gepolt, dass sie den Entladestrom aus dem Energiespeicher 1 durchlässt, jedoch einen Aufladestrom in den Energiespeicher 1 sperrt. Eine Aufladung des Energiespeichers 1 wird somit allein über den eingangs erläuterten Stromflusspfad mittels eines durch den Leistungsschalter 8 und die erste Diode 9 hindurchfließenden Ladestromes erreicht. Eine weitere Aufladung des Energiespeichers 1 bei gesperrtem Leistungsschalter 8 über den vom Eingangsanschluss 3 direkt zum positiven Anschluss 12 des Energiespeichers 1 laufenden Stromweg wird jedoch durch die bezüglich dieses Stromweges in Sperrrichtung gepolte, zweite Diode 10 sicher verhindert.
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Wenn die maximale Spannung des Energiespeichers 1 erreicht ist, muss dieser zunächst entladen werden, indem zwischen dem ersten Lastkreisanschluss 5 und dem zweiten Lastkreisanschluss 6 ein vom Energiespeicher 1 gelieferter Entladestrom zum Speisen der im Laststromkreis angeschlossenen Lasten (z. B. Antriebsmotor) fließt, bevor der Energiespeicher 1 wieder aufgeladen wird. Die Spannungsüberwachungseinrichtung 11 ist über einen zweiten Eingangsanschluss R mit dem ersten, positiven Lastkreisanschluss 5 verbunden, um festzustellen, ob ein den Energiespeicher 1 entladender Laststrom fließt. Fließt ein solcher Laststrom, wird die Spannungsüberwachungseinrichtung 11 über ihren Eingangsanschluss R in den Zustand vor dem Erreichen der Nennspannung am Energiespeicher 1 zurückgesetzt, d. h. es wird kein Ladeunterbrechungssignal mehr von der Spannungsüberwachungseinrichtung 11 erzeugt und an den Leistungsschalter 8 über den Ausgangsanschluss OUT abgegeben, so dass der Leistungsschalter 8 wieder in den eingeschalteten Zustand überführt wird.
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Der Strompfad für die Stromentnahme aus dem kapazitiven Energiespeicher 1 verläuft allein über die in Durchlassrichtung gepolte, zweite Diode 10 und den daran anschließenden Leistungsschalter 8 in Richtung des ersten, positiven Lastkreisanschlusses 5. Ein den Leistungsschalter 8 überbrückender Strompfad durch direkten Stromfluss vom positiven Anschluss 12 des Energiespeichers 1 zum ersten Lastkreisanschluss 5 über die in der Figur oberste Leitung 14 wird hingegen durch die diesbezüglich in Sperrrichtung gepolte, erste Diode 9 blockiert. Jedoch kann im Entladebetrieb zusätzlich zu dem aus dem Energiespeicher 1 entnommenen Strom auch direkt über den Eingangsanschluss 3 Strom in den Laststromkreis eingespeist werden, um beispielsweise auch Verbrauchsspitzen der im Laststromkreis angeschlossenen Lasten noch abdecken zu können.
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Der Stromentnahmepfad verläuft jedoch in jedem Fall über den Leistungsschalter 8. Dadurch wird gewährleistet, dass im Überstromfall der Leistungsschalter 8 in seiner Eigenschaft als „intelligenter” Leistungsschalter mit integriertem Überstrom- und ferner Thermoschutz den Gesamtstromfluss bei zu hoher Stromstärke unterbricht, bevor Schädigungen am Energiespeicher 1 oder den angeschlossenen Baugruppen auftreten können.
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Die vorgeschilderte, inhärente Überstromschutzfunktion des Leistungsschalters 8 kommt jedoch nicht nur beim Entladen, sondern auch beim Aufladen des Energiespeichers 1 zum Tragen. Da der beim Aufladen vom ersten Eingangsanschluss 3 zugeführte Ladestrom, bedingt durch die erfindungsgemäß eingesetzte Diodenschaltung, ebenfalls immer über den Leistungsschalter 8 gelenkt wird, wird bei Überschreiten einer vorgegebenen, maximalen Ladestromstärke der Leistungsschalter 8 zur Unterbrechung des Aufladestromkreises ausgeschaltet, bevor die Überströme am Energiespeicher 1 oder am Leistungsschalter 8 selbst Schäden (z. B. Kurzschlüsse) verursachen.
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Die erste Diode 9 hat neben der Bildung eines vorteilhaften Stromzufuhr- und Stromentnahmepfades den Effekt, dass sie eine verlustarme Rückspeisung von im Lastkreis generierter Energie (z. B. elektrisch zurückgewonnener Bremsenergie) in den kapazitiven Energiespeicher 1 ermöglicht. Da die erste Diode 9 vom positiven Lastkreisanschluss 5 zum positiven Anschluss 12 des Energiespeichers 1 hin in Durchlassrichtung gepolt ist, kann der zurückgespeiste Strom ungehindert über die in der Figur oberste, als Bypassleitung 14 fungierende Leitung in den Energiespeicher 1 zurückfließen, um diesen entsprechend aufzuladen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Überspannungs- und Kurzschlußschutz eines Energiespeichers, insbesondere zum Aufladen und Entladen eines Energiespeichers 1 erlaubt auf aufwandsarme Weise einen effektiven Schutz des Energiespeichers 1 vor Überspannungen oder Überströmen, die beim Auflade- oder Entladevorgang auftreten können.
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Bedingt durch den einfachen aus wenigen Einzelelementen realisierten Aufbau der erfindungsgemäß eingesetzten Lade- bzw. Entladeschaltung 2 weist diese im Vergleich zur Leistungsentnahme des angeschlossenen Lastkreises nur einen geringen Verlustleistungsumsatz auf. Komplizierte, beispielsweise mehrere eingangs- und ausgangsseitig angeordnete Leistungsschalter 8 umfassende, Schutzschaltungen bieten zwar auch einen geeigneten Schutz, stören jedoch im Entlade- oder Aufladebetrieb durch ihren verhältnismäßig hohen Verlustleistungsumsatz die Performance.
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Vorteilhaft technisch anwendbar ist die erfindungsgemäße Lösung bei kapazitiven Energiespeichern 1 oder Akkumulatoren, deren Arbeitsspannung aus Effizienzgründen nahe dem für den Nennbetrieb typischen Grenzwert gehalten werden muss. Die Erfindung ist weiterhin vorteilhaft anwendbar in Fällen, bei denen nicht nur ein spannungsreguliertes Aufladen, sondern gleichzeitig auch ein Überstromschutz bei der Energieentnahme realisiert werden muss, wie es insbesondere bei hochkapazitiven Energiespeichern 1 auf Basis von Doppelschichtkondensatoren EDLC („Supercaps”) erforderlich ist, die durch ihre hohe Stromergiebigkeit im Störfall ein entsprechendes Gefährdungspotential darstellen.
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Solche kapazitiven Energiespeicher 1 zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades werden beispielsweise auch in Regalsystemen eingesetzt, wobei die kapazitiven Energiespeicher 1 sekundärseitig eingesetzt sind.
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Bevorzugt sind die Energiespeicher, kapazitive Energiespeicher („Supercaps”) oder Akkumulatoren, die auf elegante Weise mit einem einzigen Leistungsschalter sowohl vor Überspannungen als auch Kurzschlüssen geschützt werden können.
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Es wird eine Schaltungsanordnung mit einem Energiespeicher, insbesondere zum Aufladen und Entladen eines Energiespeichers als Überspannungs- und Kurzschlußschutz vorgeschlagen, mit einer elektronischen Lade- bzw. Entladeschaltung mit einem einzigen Leistungsschalter, der von einer Spannungsüberwachungseinrichtung angesteuert wird, und der so verschaltet ist, dass sowohl für den Auflade- als auch für den Entladebetrieb ein Überspannungs- und Überstromschutz sowie Kurzschlußschutz für den Energiespeicher gegeben ist.
