DE102013008359A1

DE102013008359A1 - Energiespeicher, der aus in Reihe geschalten Energiespeicherzellen aufgebaut ist, und Schaltungsanordnung zur passiven Symmetrierung einer Reihenschaltung von Kondensatoren

Info

Publication number: DE102013008359A1
Application number: DE102013008359.1A
Authority: DE
Inventors: Josef Schmidt; Matthias Hauck; Jochen Weber; Daniel Tritschler
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-11-20

Abstract

Energiespeicher, der aus in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen aufgebaut ist, wobei jede Energiespeicherzelle einen Kondensator aufweist, dem eine Schaltungseinheit parallel zugeschaltet ist, wobei die Schaltungseinheit einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, insbesondere wobei der Temperaturkoeffizient des Widerstandes negativ ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher, der aus in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen aufgebaut ist, und eine Schaltungsanordnung zur passiven Symmetrierung einer Reihenschaltung von Kondensatoren.
Dabei wird unter einer Energiespeicherzelle auch ein Energiespeicherelement, wie Batteriezelle, Akkumulatorzelle, Doppelschichtkondensator, Elektrolytkondensator oder Kondensator, mit entsprechender Zusatzbeschaltung verstanden.
Es ist allgemein bekannt, dass ein Energiespeicher durch Reihenschaltung von Kondensatoren eine höhere Spannung aufweisen darf als eine Parallelschaltung der Kondensatoren.
Aus der WO 002008019766 A2 ist ein Verfahren zur Lebensdauerverlängerung, bei dem die Temperatur jeder Speicherzelle gemessen wird und bei Überschreiten eines Schwellenwertes die Spannung der Speicherzelle abgesenkt wird
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Energiespeicher weiterzubilden, wobei die Standzeit des Energiespeichers in einer Anlage, also auch die Lebensdauer, vergrößert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Energiespeicher nach den in Anspruch 1 und bei der Schaltungsanordnung zur passiven Symmetrierung einer Reihenschaltung von Kondensatoren nach den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Energiespeicher, der aus in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen aufgebaut ist, sind, dass jede Energiespeicherzelle einen Kondensator aufweist, dem ein Schaltungseinheit parallel zugeschaltet ist, wobei die Schaltungseinheit einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, insbesondere wobei der Temperaturkoeffizient des Widerstandes negativ ist.
Von Vorteil ist dabei, dass die Lebensdauer des jeweiligen Kondensators vergrößert ist und/oder die Alterungsgeschwindigkeit von thermisch höher belasteten Kondensatoren verringert wird und somit die Lebensdauern der Kondensatoren der Reihenschaltung homogenisiert ist. Denn bei höherer Temperatur wird der Energiespeicherzelle und insbesondere deren Kondensator einen geringeren Spannungseffektivwert abverlangt und somit die Lebensdauer vergrößert und/oder Alterungsgeschwindigkeit verringert. Vorzugsweise wird die Spannungsabsenkung derart gewählt, dass die Lebendauervergrößerung und/oder Reduzierung der Alterungsgeschwindigkeit durch die abgesenkte Spannung genau oder zumindest im Wesentlichen der Lebensdauerverkleinerung und/oder Steigerung der Alterungsgeschwindigkeit durch die erhöhte Temperatur entspricht. Auf diese Weise erreichen alle Kondensatoren des Energiespeichers dieselbe Lebensdauer, auch wenn die einzelnen Kondensatoren in Raumbereichen mit verschiedener Temperatur angeordnet sind und/oder durch Verluste aufgrund abweichender Bauteilparameter eine unterschiedliche Eigenerwärmung haben.
Somit ist die sowohl bei höherer Spannung als auch bei höherer Temperatur auftretende beschleunigte Alterung verlangsambar. Bei Doppelschichtkondensatoren bewirkt die beschleunigte Alterung eine beschleunigte Abnahme der Kapazität und eine beschleunigte Zunahme des inneren Ersatzserienwiderstandes. Beim Laden und Entladen des Doppelschichtkondensators mit einem fest vorgegebenen Lade-/Entlade-Leistungsprofil führt die Alterung also zu höheren elektrischen Verlusten und damit zu einer höheren Bauelementtemperatur, die wiederum die Alterung beschleunigt. Damit ergibt sich ein selbstverstärkender Effekt, der durch den erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Widerstand verringert wird. Die Erfindung wirkt besonders auf das schwächste Glied der erfindungsgemäßen Serienschaltung von Speicherelementen, wenn diese mit dem selben Strom beaufschlagt sind.
Von Vorteil ist also bei der Erfindung, die Standzeit eines Energiespeichers in einer Anlage zu erhöhen, indem zum einen die Einzelspeicherelemente welche besonders belastet sind zu entlasten und zusätzlich die Alterungsgeschwindigkeit der schwächeren Einzelspeicherelemente zu reduzieren.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der temperaturabhängige Widerstand ein NTC-Widerstand. Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiges Bauteil den Lebensdauer homogenisierenden Effekt bewirkbar macht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Schaltungseinheit aus einer Parallelschaltung des temperaturabhängigen Widerstands und eines weiteren Widerstandes R1,
insbesondere wobei der weitere Widerstand R1 eine mindestens zehnmal, insbesondere mindestens hundertmal, geringere Temperaturabhängigkeit aufweist als der temperaturabhängige Widerstand. Von Vorteil ist dabei, dass die Kennlinie des temperaturabhängigen Widerstandes mittels der Parallelschaltung mit einem weniger temperaturabhängigen Widerstand eine derartige Kennlinie der Schaltungseinheit bewirkbar macht, dass die Lebensdauer homogenisierbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Schaltungseinheit aus einer Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes R2 und einer Parallelschaltung des temperaturabhängigen Widerstands und eines ersten Widerstandes R1 besteht,
wobei der Reihenschaltung ein dritter Widerstand R3 parallel zugeschaltet ist,
insbesondere wobei der erste, zweite und dritte Widerstand (R1, R2, R3) jeweils eine mindestens zehnmal, insbesondere mindestens hundertmal, geringere Temperaturabhängigkeit aufweist als der temperaturabhängige Widerstand. Von Vorteil ist dabei, dass die Kennlinie des temperaturabhängigen Widerstandes mittels der Schaltungsanordnung mit weniger temperaturabhängigen Widerständen eine derartige Kennlinie der Schaltungseinheit bewirkbar macht, dass die Lebensdauer homogenisierbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schaltungseinheit aus rein passiven Bauelementen aufgebaut. Von Vorteil ist dabei, dass eine kostengünstige Methode zur Homogenisierung der Lebensdauern ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der temperaturabhängige Widerstand elektrisch und thermisch leitend mit dem Kondensator verbunden,
insbesondere ist ein Anschluss des temperaturabhängigen Widerstands mit einer Leiterbahn, insbesondere aus Kupfer gefertigten Leiterbahn, einer Leiterplatte verbunden, wobei die Leiterbahn mit einem elektrischen Anschluss des Kondensators verbunden ist,
insbesondere wobei der Kondensator und der temperaturabhängige Widerstand auf derselben Leiterplatte angeordnet und/oder bestückt sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes der Temperatur des Kondensators entspricht, insbesondere möglichst genau entspricht. Der temperaturabhängige Widerstand sollte also möglichst gut thermisch angekoppelt an den Kondensator.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die weiteren Widerstände derart dimensioniert, dass die Alterungsgeschwindigkeit der Kondensatoren möglichst gleich ist,
insbesondere dass bei zunehmender Temperatur die Spannung am Kondensator abnimmt und somit die Lebensdauer des Kondensators erhöht wird und/oder die Alterungsgeschwindigkeit des Kondensators verringert wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Lebendauer des Energiespeichers bestimmt ist durch die kürzeste Lebensdauer unter den Energiespeicherzellen. Durch die Homogenisierung wird also die Lebensdauer des Energiespeichers vergrößert.
Wichtige Merkmale bei der aus Schaltungseinheiten zusammengesetzten Schaltungsanordnung zur passiven Symmetrierung einer Reihenschaltung von Kondensatoren sind, dass die Höhe des Endladestroms jedes Kondensators von seinen Betriebszuständen Spannung und Temperatur abhängt.
Von Vorteil ist dabei, dass die Lebensdauern homogenisiert werden und somit die Lebensdauer des Energiespeichers und somit die Standzeit vergrößert wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem Kondensator eine Schaltungseinheit zugeordnet, die mindestens ein passives Bauteil umfasst, welches eine Temperaturabhängigkeit aufweist, insbesondere die passive Bauteile umfasst, wobei ein erstes passives Bauteil eine größere Temperaturabhängigkeit aufweist als ein zweites passives Bauteil. Von Vorteil ist dabei, dass die Kennlinie des ersten passiven Bauteils anpassbar ist an die gewünschte Gesamtkennlinie, so dass die Schaltungseinheit eine gewünschte Lebensdauer erreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verändert der Temperaturunterschied zwischen den Kondensatoren den Entladestrom jedes Kondensators derart, dass ein jeweils stärker erwärmter Kondensator stärker entladen und somit die Geschwindigkeit seiner Alterung reduziert wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Alterung der Kondensatoren homogenisiert wird und somit die Lebensdauer des Energiespeichers vergrößert wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verändert ein Unterschied der an jeweiligen Kondensatoren abfallenden Spannungen den Entladestrom des jeweiligen Kondensators derart, dass Kondensatoren, die bei höherer Spannung betrieben werden, stärker entladen werden und somit die Geschwindigkeit ihrer Alterung reduziert wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Symmetrierung der Spannung und Lebensdauer erreichbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist ein schematischer Schaltplan einer Symmetrierschaltung für eine Reihenschaltung von Kapazitäten eines Energiespeichers gezeigt.
In der 2 ist ein schematischer Schaltplan für eine jeweilige Energiespeicherzelle des Energiespeichers gezeigt.
In der 3 ist ein anderer schematischer Schaltplan für eine jeweilige Energiespeicherzelle des Energiespeichers gezeigt.
Wie in 1 gezeigt, weist der Energiespeicher eine Anzahl n in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen auf. Die Anzahl n ist dabei zwei oder größer.
Jede Energiespeicherzelle weist eine jeweilige Kapazität, also Kondensator C1, C2, ..., Cn, auf, der ein jeweiliger Widerstand R1S, R2S, ... RnS parallel zugeschaltet ist.
Auf diese Weise ist die Spannung symmetrierbar, also die an jeder Energiespeicherzelle anliegende Spannung angleichbar an einen gewünschten Wert, wie beispielsweise den jeweiligen Mittelwert der einzelnen Kondensatorspannung.
Denn in der 1 ist der jeweilige Innenwiderstand des jeweiligen Kondensators C1, C2, ..., Cn nicht dargestellt. Dieser Innenwiderstand hängt aber wie auch die Kapazität des jeweiligen Kondensators C1, C2, ..., Cn vom Alterungszustand ab. Die Alterungsgeschwindigkeit und insbesondere somit auch der Alterungszustand ist temperaturbedingt und/oder spannungsbedingt verschieden. Außerdem ist die Fertigung eines Kondensators toleranzbehaftet, so dass seine jeweiligen Kennwerte streuen.
Mittels der in Reihe geschalteten Widerstände R1S, R2S, ... RnS ist eine jeweils gleichgroße, an der jeweiligen Energiespeicherzelle anliegende mittlere Spannung einstellbar. Dabei streuen die Widerstandswerte der Widerstände R1S, R2S, ... RnS nur unwesentlich, beispielsweise weniger als 5% oder sogar weniger als 1%.
Wie in 2 gezeigt, ist aber auch eine verbesserte Symmetrierung ermöglicht. Hierbei ist ESR der Innenwiderstand des Kondensators C der Energiespeicherzelle. Die Energiespeicherzellen sind hierbei wiederum in Reihe geschaltet, wobei jede Energiespeicherzelle gemäß 2 ausgeführt ist. Zur Berücksichtigung der verschiedenen Arbeitstemperaturen der Kondensatoren des Energiespeichers wird dem Kondensator, also der Kapazität C des Kondensators und dem mit diesem in Reihe vorhandenen, insbesondere modellierten, Innenwiderstand ESR des Kondensators, nicht nur ein jeweiliger Widerstand R1 sondern auch ein temperaturabhängiger Widerstand NTC, insbesondere Heißleiter, parallel zugeschaltet. Auf diese Weise ist auch ein Angleich der Alterungsgeschwindigkeit des Kondensators erreichbar, da bei höherer Temperatur dem Kondensator im Vergleich zu den anderen Energiespeicherzellen ein niedrigerer Spannungseffektivwert abverlangt wird.
Wie in 3 gezeigt, ist der temperaturabhängige Widerstand NTC in einem Widerstands-Schaltnetzwerk vorsehbar, so dass die temperaturabhängige Kennlinie des Widerstands NTC die Widerstandskennlinie des Schaltnetzwerks besser anpasst und zwar derart, dass eine durch die Temperatur gesteigerte Alterungsgeschwindigkeit durch einen geringeren Spannungseffektivwert wieder reduziert wird.
Hierzu ist dem temperaturabhängigen Widerstand NTC ein Widerstand R2 parallel zugeschaltet. Der so gebildeten Parallelschaltung ist ein Widerstand R1 in Reihe zugeschaltet, wobei dieser Reihenschaltung ein Widerstand R3 parallel geschaltet ist, der auch dem Kondensator parallel geschaltet ist, dessen Innenwiderstand ESR und Kapazität C in 3 dargestellt sind.
Die Widerstandswerte der Widerstände R1, R2, R3, NTC werden derart gewählt, dass bei höherer Temperatur die an der Energiespeicherzelle abfallende Spannung geringer wird und somit die Alterungsgeschwindigkeit des Kondensators verlangsamt wird. Dabei ist die Absenkung der Spannung derart gewählt, dass die Alterungsgeschwindigkeit der Kondensatoren aller Energiespeicherzellen gleich ist.
Die Widerstände R1, R2, R3 sind als Kohleschichtwiderstände oder Metallschichtwiderstände ausgeführt, so dass ihr Temperaturkoeffizient einen mindestens zehnmal, insbesondere einen mindestens hundertmal, geringeren Betrag aufweist als der Betrag des Temperaturkoeffizienten des temperaturabhängigen Widerstandes NTC beträgt.
Bezugszeichenliste

C1

Kondensator

C2

Kondensator

Cn

Kondensator

C

Kondensator

R1S

Widerstand zur Spannungssymmetrierung

R2S

Widerstand zur Spannungssymmetrierung

RnS

Widerstand zur Spannungssymmetrierung

R1

Widerstand

R2

Widerstand

R3

Widerstand

ESR

Innenwiderstand

NTC

temperaturabhängiger Widerstand, insbesondere Heißleiter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 002008019766 A2 [0004]

Claims

Energiespeicher, der aus in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Energiespeicherzelle einen Kondensator aufweist, dem eine Schaltungseinheit parallel zugeschaltet ist, wobei die Schaltungseinheit einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, insbesondere wobei der Temperaturkoeffizient des Widerstandes negativ ist.
Energiespeicher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstand ein NTC-Widerstand ist.
Energiespeicher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinheit aus einer Parallelschaltung des temperaturabhängigen Widerstands und eines weiteren Widerstandes R1 besteht, insbesondere wobei der weitere Widerstand R1 eine mindestens zehnmal, insbesondere mindestens hundertmal, geringere Temperaturabhängigkeit aufweist als der temperaturabhängige Widerstand.
Energiespeicher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinheit aus einer Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes R2 und einer Parallelschaltung des temperaturabhängigen Widerstands und eines ersten Widerstandes R1 besteht, wobei der Reihenschaltung ein dritter Widerstand R3 parallel zugeschaltet ist, insbesondere wobei der erste, zweite und dritte Widerstand (R1, R2, R3) jeweils eine mindestens zehnmal, insbesondere mindestens hundertmal, geringere Temperaturabhängigkeit aufweist als der temperaturabhängige Widerstand.
Energiespeicher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinheit aus rein passiven Bauelementen aufgebaut ist.
Energiespeicher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstand elektrisch und thermisch leitend mit dem Kondensator verbunden ist, wobei der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem temperaturabhängigen Widerstand und dem Kondensator kleiner ist als jeder Wärmeübergangswiderstand zwischen dem temperaturabhängigen Widerstand und jedem anderen der Kondensatoren des Energiespeichers, insbesondere ein Anschluss des temperaturabhängigen Widerstands mit einer Leiterbahn, insbesondere aus Kupfer gefertigten Leiterbahn, einer Leiterplatte verbunden ist, wobei die Leiterbahn, insbesondere mittelbar oder unmittelbar, elektrisch mit dem Kondensator verbunden ist und/oder mit einem elektrischen Anschluss des Kondensators verbunden ist insbesondere wobei der temperaturabhängige Widerstand formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Kondensator verbunden ist, insbesondere wobei der Kondensator und der temperaturabhängige Widerstand auf derselben Leiterplatte angeordnet und/oder bestückt sind.
Energiespeicher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Widerstände derart dimensioniert sind, dass die Alterungsgeschwindigkeit der Kondensatoren möglichst gleich ist, insbesondere dass bei höherer Temperatur die effektive Spannung an einem Kondensator im Vergleich zu den übrigen abnimmt.
Aus Schaltungseinheiten zusammengesetzte Schaltungsanordnung zur passiven Symmetrierung einer Reihenschaltung von Kondensatoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Entladestroms jedes Kondensators von seinen Betriebszuständen Spannung und Temperatur abhängt.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kondensator eine Schaltungseinheit zugeordnet ist, die ein passives Bauteil umfasst, welches eine Temperaturabhängigkeit aufweist, insbesondere die passive Bauteile umfasst, wobei ein erstes passives Bauteil eine stärkere Temperaturabhängigkeit aufweist als ein zweites passives Bauteil.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturunterschied zwischen den Kondensatoren den Entladestrom jedes Kondensators derart verändert, dass ein jeweils stärker erwärmter Kondensator stärker entladen und somit die Geschwindigkeit seiner Alterung reduziert wird.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschied der an jeweiligen Kondensatoren abfallenden Spannungen den Entladestrom des jeweiligen Kondensators derart verändert, dass Kondensatoren, die bei höherer Spannung betrieben werden, stärker entladen werden und somit die Geschwindigkeit ihrer Alterung reduziert wird.