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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ausgleichen von Superkapazitäten,
das heißt,
zum Ausgleichen einer oder mehrerer Superkapazitäten.
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Superkapazitäten sind
bekannte Vorrichtungen und nach dem aktuellen Entwicklungsstand
werden sie als Energiequelle für
Hochleistungsanwendungen, insbesondere für das Starten von Motoren, als
Kraftreserve der Motoren von Hybridfahrzeugen, für die ununterbrochene Energiezufuhr
usw. eingesetzt. Bei diesen Anwendungsarten sind Energiequellen
erforderlich, die sich schnell wiederaufladen und eine sehr hohe
Zyklenzahl erreichen, was bei Superkapazitäten im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien
der Fall ist.
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Superkapazitäten sind
in der Lage, kurzfristig sehr hohe spezifische Leistungen zu erbringen. Die
typische Entlade- (oder
Ladezeit) einer Superkapazität
reicht nämlich
von einigen Sekunden bis zu einigen Dutzend Sekunden, in denen spezifische Leistungen über 1 kW/kg
abgegeben werden können.
Die Kapazität
einzelner Superkapazitäten
reicht von 1 bis etwa 3500 Farad und ihr sehr geringer Widerstand
liegt für
die Bauteile mit der höchsten
Kapazität
unter 1 mΩ.
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Beim
Laden dieser Superkapazitäten
ist es wichtig, eine maximale Klemmenspannung nicht zu überschreiten.
Es ist bekannt, das Laden einer Superkapazität durch Anhalten zu steuern,
wenn die Klemmenspannung einen vorbestimmten Wert erreicht. Wenn
die Spannung diesen vorbestimmten Wert übersteigt, wird die Alterung
der Superkapazität beschleunigt,
was deren Betriebsdauer und Leistung reduziert.
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Des
Weiteren verwendet man im Allgemeinen Module aus mehreren in Reihe
geschalteten Superkapazitäten.
Die oben ge nannten Anwendungen erfordern üblicherweise Spannungen von
einigen Dutzend oder sogar einigen Hundert Volt. In diesem Fall
beobachtet man am Ende des Ladevorgangs des Moduls aus Superkapazitäten, dass
die Merkmale der Superkapazitäten,
insbesondere hinsichtlich deren Klemmenspannung, voneinander abweichen. Dies
ist auf eine Schwankung der intrinsischen Eigenschaften (Serienwiderstand
und Kapazität)
der einzelnen Superkapazitäten
innerhalb des Moduls, auf die Alterung der Superkapazitäten und
auf ein eventuelles, durch seine Umgebung bedingtes Temperaturgefälle innerhalb
des Moduls zurückzuführen. Dies
führt bei
den einzelnen Superkapazitäten
des Moduls zu unterschiedlichen Verlustströmen und somit zu unterschiedlichen
Lade-Endspannungen der Superkapazitäten.
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Dieses
Problem beeinträchtigt
die reibungslose Funktion des Moduls. Es ist sogar möglich, dass einige
Superkapazitäten
des Moduls Spannungen erreichen, die ihre Nennspannung übersteigen,
was deren Eigenschaften schadet und eine frühzeitige Alterung zur Folge
hat. Auf diese Weise kann das Modul in seiner Gesamtheit nicht richtig
funktionieren.
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Zur
Lösung
dieses Problems schlägt
das Dokument EP-0 851 445 vor, an den Klemmen jeder Superkapazität eines
Moduls aus mehreren Superkapazitäten
einen Nebenkreis (oder Bypass) parallel zu schalten, der einen in
Serie geschalteten Widerstand und eine Zenerdiode umfasst, welche
die Eigenschaft hat, dass der in die Zenerdiode abgezweigte Strom,
den Eigenschaften der Bestandteile entsprechend, ab einem Wert stark
ansteigt, der geringfügig unter
der Nennspannung der einzelnen Superkapazitäten liegt.
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Das
Prinzip des Ausgleichens von Superkapazitäten besteht generell in der
ganzen oder teilweisen Abzweigung des Lade stroms der Superkapazität, um die
Spannung am Ende des Ladevorgangs auf einen vorbestimmten Wert auszugleichen.
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Die
im vorliegenden Dokument vorgeschlagene Lösung ist jedoch nicht ganz
zufriedenstellend. Sobald die Spannung die kritische Schwelle erreicht, die
unter der Nennspannung der Superkapazität am Ende des Ladevorgangs
liegt, entspricht der in der Superkapazität fließende Strom dem Strom des Nebenkreises
bei der Nennspannung der Superkapazität bis zu deren Ausgleich. Um
einen Verluststrom auf dem Niveau des Nebenkreises zu gewährleisten,
der unter dem für
die Bauteile eigenen Verluststrom liegt, wird der Abzweigungsstrom
sehr schwach, beispielsweise in der Größenordnung von ungefähr zehn
mA für
eine Superkapazität
mit einem Verluststrom in der Größenordnung
von mA, während
der zur Beendigung des Ladevorgangs der Superkapazität benötigte Strom
hoch ist, in der Größenordnung
von mehreren Dutzend Ampere. Das Ende des Ladevorgangs der Superkapazität dauert
somit sehr lange, obwohl die Superkapazitäten häufig für eine hohe Beanspruchung mit
schnellen Lade-/Entladezyklen vorgesehen sind.
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Außerdem ist
die Verwendung von Nebenkreisen mit einem hohen Verluststrom hinsichtlich des
Energieverbrauchs und der zusätzlichen
Wärmeabstrahlung
nachteilig, da zur Erhaltung der geladenen Superkapazitäten ein
hoher Haltestrom erforderlich ist.
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In
Leerlaufschaltung führt
ein hoher Verluststrom des Nebenkreises außerdem zu einer Entladung der
Superkapazität
und daher zu einem raschen Absinken deren Spannung.
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Die
vorliegende Erfindung hat daher zum Ziel, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Ausgleichen von Superkapazitäten bereitzustellen, welche/s die
Dynamik des Endes des Lade vorgangs deutlich verbessert und homogene
Merkmale hinsichtlich der Klemmenspannung der Superkapazitäten erhalten lässt.
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In
der Folge spricht man vom Ausgleichen sowohl in Bezug auf eine einzige
Superkapazität
(es handelt sich in diesem Falle eher um eine Steuerung der Ladespannung
der Superkapazität)
als auch in Bezug auf ein Modul aus Superkapazitäten.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zum Ausgleichen
von Superkapazitäten,
bestehend aus der Abzweigung der in der Superkapazität fließenden Stromstärke ab einer
vorbestimmten Klemmenspannung der Superkapazität, genannt Schwellenspannung,
wobei die Abzweigungsstromstärke
von der Klemmenspannung der Superkapazität abhängig ist, welche entsprechend dieser
Spannung kontinuierlich ansteigt. In diesem erfindungsgemäßen Verfahren
steigt die Abzweigungsstromstärke
zwischen der Schwellenspannung, für welche die Abzweigungsstromstärke minimale
Abzweigungsstromstärke
genannt wird, und einer sogenannten Referenzspannung, für welche
die Abzweigungsstromstärke
nominale Abzweigungsstromstärke
genannt wird, und der Unterschied zwischen der Referenzspannung
und der Schwellenspannung ist kleiner als 200 mV und das Verhältnis zwischen
der nominalen und der minimalen Abzweigungsstromstärke ist
größer als
100.
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Dank
der Erfindung kann der Abzweigungsstrom hohe Werte erreichen, was
eine höhere
Ladeintensität
während
des Endes des Ladevorgangs und somit dessen Verkürzung gewährleistet, während ein
Verluststrom auf dem Niveau der Superkapazität erhalten bleibt, der in der
Größenordnung
des ihr eigenen Verluststroms liegt. Dies ist dank des erfindungsgemäßen Verfahrens
möglich,
welches im Gegensatz zum Verfahren nach dem Stande der Technik einen
Nebenkreis verwendet, dessen Steigung der Strom-Spannungskennlinie
ausreichend steil ist, das heißt
mit anderen Worten, deren Unterschied zwischen Abzweigungsstrom
und Verluststrom im Bereich der Abzweigung des Stroms ausreichend
groß ist,
um gleichzeitig einen hohen Abzweigungsstrom und einen schwachen
Verluststrom zu gewährleisten.
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Vorteilhafterweise
kann das Ansteigen der Abzweigungsstromstärke in Abhängigkeit der Klemmenspannung
der Superkapazität
linear sein, so dass die Verringerung der Ladeintensität (und die
Erhöhung
der Abzweigungsstromstärke)
progressiv ist.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die Abzweigungsstromstärke in Abhängigkeit
von der Klemmenspannung der Superkapazität begrenzt ist. Dies erhält die Integrität des Systems,
wenn die Klemmenspannung der Superkapazität die Referenzspannung des
Nebenkreises deutlich übersteigt.
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Erfindungsgemäß kann beispielsweise
ein Transistor des Typs MOSFET, ein bipolarer Transistor oder ein
IGBT-Transistor für
die Realisierung der linearen Leistungsverstärkung des Nebenkreises verwendet
werden, der an den Klemmen der Superkapazität parallelgeschaltet ist. Die
Verschiedenartigkeit dieser Art von Bestandteilen erlaubt die Auswahl desjenigen,
der die gewünschten
Eigenschaften in Bezug auf den nominalen Abzweigungsstrom und den
Leistungsverlust aufweist.
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Außerdem ermöglicht die
Verbindung eines der Bestandteile mit einer Regelungsvorrichtung
die Festlegung der minimalen Spannung, ab welcher die Abzweigungsstromstärke ansteigt,
und der maximalen Spannung, ab welcher die Abzweigungsstromstärke auf
einen konstanten Wert begrenzt ist, sowie die Festlegung des Wertes
dieser maximalen, konstanten Stromstärke, um diesen Wert den Eigenschaften
der Superkapazität
(maximale Klemmenspannung am Ende des Ladevorgangs, Ladestrom) anzupassen.
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Ein
weiterer Vorteil der Verwendung eines Transistors des Typs MOSFET
oder eines bipolaren Transistors besteht in dessen sehr niedrigem
Verluststrom (kleiner als ein μA).
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Vorteilhafterweise
kann die Referenzspannung gemäß der einfachsten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
der Lade-Endspannung
der Superkapazität
entsprechen.
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Nach
einer weiterentwickelteren Ausführungsform
kann die Schwellenspannung der Lade-Endspannung der Superkapazität entsprechen. Dies
erlaubt eine Optimierung des Ladevorgangs unter Verwendung der nachfolgend
genannten Ladeprotokolle.
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Nach
einer sehr vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst dieses außerdem
die Steuerung der Ladeintensität
der Superkapazität
entsprechend deren Klemmenspannung durch eine logische Funktion
der Spannungserkennung, die in der Lage ist, von einem aktivierten
in einen deaktivierten Zustand überzugehen,
wenn die Klemmenspannung der Superkapazität die Referenzspannung übersteigt,
so dass die Ladeintensität der
Superkapazität
verringert ist, dann in den aktivierten Zustand zurückkehrt,
wenn die Klemmenspannung der Superkapazität unter eine minimale Steuerspannung
fällt.
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Dank
dieser Steuerung wird die Superkapazität nicht überladen und die Ladedauer
bei geringer Stromstärke
wird verringert, so dass die Gesamtladezeit optimiert wird. Diese
Steuerung erlaubt es, nach einem Ladeprotokoll mit zwei Stromniveaus
vorzugehen, in welchem die Ladeintensität ein höheres Niveau als die nominale
Abzweigungsstromstärke
erreichen kann, wodurch die Ladedauer ohne Beeinträchtigung
der Superkapazität
optimiert werden kann.
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Diese
Steuerung wird beispielsweise durch die Funktion der Spannungserkennung
erreicht, die ein Signal in Form einer Hysterese ausgibt.
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Nach
einer anderen, sehr vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst dieses die Steuerung der Ladeintensität der Superkapazität entsprechend
der Abzweigungsstromstärke
durch eine logische Funktion der Stromerkennung, die in der Lage
ist, von einem aktivierten in einen deaktivierten Zustand überzugehen,
wenn die Abzweigungsstromstärke
die nominale Abzweigungsstromstärke übersteigt,
so dass die Ladeintensität
der Superkapazität
verringert ist, dann in den aktivierten Zustand zurückkehrt,
wenn die Abzweigungsstromstärke
unter eine minimale Steuerungsintensität fällt. Diese Steuerung erlaubt
ebenfalls, nach einem Ladeprotokoll mit mehreren Stromniveaus vorzugehen,
bei welchem die Ladeintensität
verschiedener Ebenen über
der nominalen Abzweigungsstromstärke
liegen kann, wodurch die Ladedauer ohne Beeinträchtigung der Superkapazität optimiert
werden kann.
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Dies
erlaubt insbesondere ein lineares Senken der Ladeintensität bei gleichzeitiger
Erhaltung einer gewissen Stromstärke
des Abzweigungsstroms.
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In
diesem Falle wird die Steuerung beispielsweise mit Hilfe der Stromerkennungsfunktion
realisiert, die ein Signal in Form einer Hysterese ausgibt.
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Weiter
erfindungsgemäß kann die
Steuerung der Spannung mit der des Stroms verbunden werden. Hierdurch
wird ermöglicht, bei
der Spannungssteuerung nicht im deaktivierten Zustand zu verbleiben,
selbst wenn die Abzweigungsstromstärke deutlich Null ist.
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Schließlich bezieht
sich die Erfindung ebenso auf eine Vorrichtung zur Durchführung des
vorgenannten Verfahrens, insbesondere umfassend einen Transistor
des Typs MOSFET, einen bipolaren Transistor oder einen IGBT-Transistor
innerhalb des Nebenkreises.
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Ein
erfindungsgemäßes Modul
aus Superkapazitäten
kann aus mehreren in Serie geschalteten Superkapazitäten, einem
Nebenkreis, der an den Klemmen jeder Superkapazität parallelgeschaltet
ist, oder einem einzigen Nebenkreis, der an den Klemmen des Gesamtaufbaus
der Superkapazitäten
parallelgeschaltet ist, bestehen.
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Ein
Gesamtaufbau dieser Module kann mit einem einzigen Nebenkreis an
den Klemmen dieses Gesamtaufbaus in Serie und/oder parallelgeschaltet sein.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung
hervor, die nur zum Zwecke der Darstellung und nicht als einschränkend zu
betrachten ist.
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In
den nachfolgenden Figuren zeigt:
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1 das
Grundschaltbild eines Nebenkreises zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
einer einfachen Superkapazität;
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2 das
Grundschaltbild eines erfindungsgemäßen Ausgleichkreises eines
Moduls aus mehreren Superkapazitäten,
wie in 1 dargestellt;
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3 ein
Beispiel einer Kennlinie der Abzweigungsstromstärke nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
in Abhängigkeit
der Klemmenspannung einer Superkapazität;
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4 die
Klemmenspannung und die Abzweigungsstromstärke der Bauteile eines Moduls aus
Superkapazitäten,
die nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgeglichen werden;
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5 die
Hysteresekurve der erfindungsgemäßen Spannungserkennungsfunktion;
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6 die
Klemmenspannung und die Ladeintensität eines Moduls aus Superkapazitäten, das nach
einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ausgeglichen wird;
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7 die
Hysteresekurve der erfindungsgemäßen Stromerkennungsfunktion;
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8 die
Klemmenspannung und die Ladeintensität eines Moduls aus Superkapazitäten, das nach
einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ausgeglichen wird.
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In
allen Figuren werden gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Kreis 10,
bestehend aus einer Superkapazität 11,
an deren Klemmen ein erfindungsgemäßer Nebenkreis 12 parallelgeschaltet
ist, bestehend aus einem stromgesteuerten Leistungsverstärker (nicht
dargestellt). Ein Tiefpassfilter 13 ist ebenfalls an den
Klemmen der Superkapazität 11 parallelgeschaltet.
Dieser Tiefpassfilter ist im Falle eines Hochfrequenzschnitts (Sprunges)
des Ladestroms Ic erforderlich, der harmonische
Spannungsschwingungen erzeugt, die für die korrekte Funktion des
Nebenkreises 12 nachteilig sind. Ein mit dem Filter 13 verbundenes
Erkennungsorgan 14 erzeugt logische Signale dv und
di der Ladesteuerung, deren Interpretation
durch das Ladegerät 15 der
Superkapazität 11 ein
sicheres und rasches Laden erlaubt, wie weiter unten detailliert
erläutert wird.
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2 zeigt
ein Modul aus Superkapazitäten 20,
bestehend aus mehreren (fünf,
im Beispiel der 2) Kreisen 101 bis 105 , wie in 1 dargestellt. Jedes
Element eines Kreises 10n (n variierend
von 1 bis 5 im Beispiel der 2) besteht
aus den gleichen Elementen wie der Kreis 10 der 1,
wobei die Bezugsziffern mit dem entsprechenden Index des Kreises
im Modul 20 bezeichnet sind. Das Ladegerät 15 wird
für alle
Superkapazitäten 111 bis 115 gemeinsam verwendet.
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Erfindungsgemäß sind die
Ausgaben dvn jedes Erkennungsorgans 14n miteinander verbunden, um eine logische
Funktion 21 der Spannungserkennung zu erzeugen, deren Ausgabesignal
dv an das Ladegerät 15 gesendet wird.
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Ebenso
sind die Ausgänge
din jedes Erkennungsorgans 14n miteinander verbunden, um eine logische
Funktion 22 der Stromerkennung zu erzeugen, deren Ausgabesignal
di an das Ladegerät 15 gesendet wird.
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Nachfolgend
wird die Funktion des erfindungsgemäßen Nebenkreises 12 (oder 121 bis 125 )
in Bezug auf die 1 und 3 erläutert.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
wird erfindungsgemäß die Steuerung
der Klemmenspannung einer Superkapazität 11 bereitgestellt,
und, im Falle einer Überladung,
wird der Ladestrom Ic der Superkapazität 11,
mit welcher der Nebenkreis 12 verbunden ist, ganz oder
teilweise abgezweigt. Für
eine einzelne Superkapazität
(wie im Falle der 1) gewährleistet die Erfindung die
Steuerung der Klemmenspannung der Superkapazität und im Falle ei nes Moduls
aus Superkapazitäten
(wie in 2) gewährleistet die Erfindung die
Steuerung und den Ausgleich der Klemmenspannung jeder einzelnen
Superkapazität.
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Der
Nebenkreis 12 umfasst einen Leistungsverstärker, wie
beispielsweise einen MOSFET-Transistor, dessen Stromsteuerung eine
kontinuierliche Kennlinie erzeugen lässt, wie in 3 dargestellt,
in welcher die Kurve 30 die Stromstärke id darstellt,
die im Nebenkreis 12 in Abhängigkeit der Klemmenspannung
V des Nebenkreises fließt.
Die Kurve 30 zeigt drei Abschnitte:
- – einen
Abschnitt 301 , in welchem id eine Konstante Idmin (nahe
0) ist, genannt minimale Abzweigungsstromstärke (entsprechend dem Verluststrom
des Nebenkreises 12), in Abhängigkeit von V bis zu einem
Wert V = V1, genannt Schwellenspannung;
- – einen
Abschnitt 302 , in welchem id von einem Wert Idmin bis
zu einem Wert IdN linear ansteigt, genannt
nominale Abzweigungsstromstärke
für einen
Wert V = V2, genannt Referenzspannung;
- – einen
Abschnitt 303 , in welchem id eine Konstante ist, die in Abhängigkeit
von V gleich oder größer als
IdN ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
entspricht V1 der Lade-Endspannung
der Superkapazität,
zum Beispiel 2,2 V, und die Spannung V2 ist geringfügig höher, zum
Beispiel 2,25 V. Es wird festgestellt, dass die Werte für V1 und
V2 beliebig geregelt werden können,
so dass sich der Nebenkreis 12 leicht an die zu steuernde
Superkapazität
anpassen lässt.
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Bei
der ersten Ausführungsform
der Erfindung, bei der nur ein Nebenkreis 12 verwendet
wird, wird eine konstante Stromladung einer Superkapazität 11 oder
eines Moduls 10 aus Superkapazitäten 111 bis 115 bewirkt. Das Niveau des Ladestroms
Ic wird somit auf einen Wert, zum Beispiel
5 A, vorbestimmt und die nominale Abzweigungsstromstärke IdN wird auf einen höheren Wert als Ic eingestellt.
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In 4 zeigen
die Kurven 41 bis 45 die Klemmenspannung V jeder
der Superkapazitäten 111 bis 115 und
die Kurven 401 bis 405 stellen die Abzweigungsstromstärke id in
den einzelnen Nebenkreisen 121 bis 125 in Abhängigkeit der Zeit t dar. In
dieser Figur ist zu sehen, dass die Superkapazitäten 111 bis 115 anfänglich ungleich sind, das heißt, dass
deren Klemmenspannung nicht gleich ist, und am Ende des Ladevorgangs
die Spannung jeder der Superkapazitäten 111 bis 115 in der Nähe der Referenzspannung ausgeglichen
ist, die in diesem Falle so gewählt
wurde, dass sie der Lade-Endspannung
der Superkapazitäten
entspricht.
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Dank
der Erfindung kann daher das Modul 20 aus Superkapazitäten am Ende
des Ladevorgangs aufgrund der Tatsache rasch ausgeglichen werden,
dass die Abzweigungsstromstärke
in Abhängigkeit
der Spannung eine maximale Grenze darstellt.
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Bei
der nachfolgend beschriebenen einfachen Ausführungsform, in der die Erkennungsorgane 14n (und die logischen Funktionen der
Spannungserkennung 21 und der Stromerkennung 22)
nicht verwendet werden, ist der maximale Ladestrom IdN und das
Laden erfolgt mit konstantem Strom, um jede Überladung der Superkapazitäten zu vermeiden.
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Bei
einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
mit welcher das Ladeniveau und die Ladedauer optimiert werden können, erfolgt
das Laden mit zwei Stromniveaus, wobei das erste wesentlich über der
nominalen Abzweigungsstromstärke
IdN liegen kann und das zweite gleich oder
niedriger als die nominale Abzweigungsstromstärke IdN sein
muss. In die sem Falle werden die Erkennungsorgane 14n und die Funktion der Spannungserkennung 21 (siehe 2)
verwendet, deren Ausgabe dv der logischen UND-Funktion
der Ausgaben dv1 bis dv5 der
Erkennungsorgane 141 bis 145 entspricht; die Schwellenspannung
der Nebenkreise 121 bis 125 entspricht der Lade-Endspannung (zum
Beispiel 2 V) der Superkapazitäten 111 bis 115 und
die nominale Abzweigungsstromstärke
IdN beträgt
beispielsweise 10 A.
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Aus
Gründen
der Vereinfachung wird die Funktionsweise der Erfindung in diesem
Falle anhand einer einzelnen Superkapazität erläutert, beispielsweise der Superkapazität 111 .
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Das
durch das Erkennungsorgan 141 ausgegebene
Signal dv1 ist eine Hysterese, wie in 5 dargestellt,
in welcher die Ausgabe dv1 in Abhängigkeit
der Klemmenspannung der Superkapazität 111 dargestellt
ist. Der aktivierte Zustand (dv = 1) entspricht
einem solchen Wert für
V, dass das Ladegerät 15 eine
Ladeintensität
ausgibt, die über
der nominalen Abzweigungsstromstärke
IdN liegt, und der deaktivierte Zustand
(dv = 0) entspricht einem solchen Wert für V, dass
das Ladegerät
eine Ladeintensität
ausgibt, die gleich oder niedriger als IdN ist.
Das Laden erfolgt somit in mehreren Phasen, wie in 6 dargestellt,
in der die Kurve 61 die Klemmenspannung des Moduls 20 in
Abhängigkeit
der Zeit t und die Kurve 62 die Ladeintensität des Moduls 20 ebenfalls
in Abhängigkeit
der Zeit t darstellt.
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Phase 1: dv =
1
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Die
Spannung der Superkapazität
steigt bis auf 2 V, die Abzweigungsstromstärke liegt etwa bei Null und
die Ladeintensität
beträgt
15 A, das heißt, sie
liegt über
IdN.
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Phase 2: dv =
1
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Die
Spannung der Superkapazität
steigt von 2 V auf 2 V + 50 mV und die Abzweigungsstromstärke steigt
daher von 0 auf 10 A aufgrund der Eigenschaft des Nebenkreises 121 ; die Ladeintensität bleibt bei 15 A. In Anbetracht
der Hysteresekurve der 5, geht dv daher
auf 0.
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Phase 3: dv =
0
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Die
Spannung der Superkapazität
sinkt von 2 V + 50 mV auf 2 V + 25 mV und die Abzweigungsstromstärke fällt von
10 A auf 5 A; die Ladeintensität geht
auf 5 A.
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Phase 4: dv =
0
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Die
Spannung der Superkapazität
ist konstant und entspricht 2 V + 25 mV, die Abzweigungsstromstärke ist
ebenfalls konstant und beträgt
5 A und die Ladeintensität
ist ebenfalls konstant und beträgt
5 A.
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Phase 5: dv =
0
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Die
Spannung der Superkapazität
sinkt von 2 V + 25 mV auf 2 V, die Abzweigungsstromstärke fällt von
5 A auf ungefähr
0. Ab einer Spannung des Moduls von 10 V begrenzt das Ladegerät 15 den
Ladestrom, um die Spannung des Moduls konstant zu halten.
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Die Änderungen
der Ladeintensität
werden mit Hilfe des Ladegerätes 15 vorgenommen,
welches die Information dv vom Erkennungsorgan 141 (oder von der Erkennungsfunktion 21 im
Falle des Moduls 20) erhält und infolge dessen die Ladeintensität ändert.
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Die
Feststellung, dass die Verschiebung zwischen der Lade-Endspannung der Superkapazität (2 V)
und des Wertes V dem Übergang
von dv von 1 auf 0 gemäß der Hysterese der 5 (2,05
V) entspricht, erlaubt das Ausgleichen des Moduls ohne Reduzierung
der Ladeintensität,
wenn die Superkapazitäten leicht
unausgeglichen sind.
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Es
ist leicht zu verstehen, wie das Verfahren, welches in Bezug auf
eine Superkapazität
beschrieben wird, mutatis mutandis auf das Modul aus Superkapazitäten 20 angewandt wird.
Sobald die Spannung einer der Superkapazitäten des Moduls 20 die Schwellenspannung übersteigt,
wird die Erkennungsfunktion 21 eingesetzt.
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Dank
des Ladeprotokolls, welches das Spannungserkennungsorgan 141 verwendet (oder die Spannungserkennungsfunktion 21 im
Falle des Moduls 20), kann daher das Laden mit einem höheren Strom
als IdN vorgenommen und somit die Ladedauer
bei gleichzeitiger Sicherung des Ladeendes optimiert werden.
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Es
ist jedoch bei Verwendung dieser alleinigen Erkennungsfunktion zu
beobachten, dass insbesondere bei einem hohen Ladestrom (bei welchem der
ohmsche Spannungsabfall groß ist)
nach Erkennung einer Überladung
und der Reaktion des Ladegerätes 15 die
Spannungserkennungsfunktion im deaktivierten Zustand (dv =
0) verbleibt, während
die Abzweigungsstromstärke
Null oder fast Null ist. Die Verwendung dieser alleinigen Spannungserkennungsfunktion
führt daher
zu einem sicheren und schnellen Ladevorgang, aber die Dauer des
Endes des Ladevorgangs kann noch weiter reduziert werden.
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Erfindungsgemäß wird daher
in diesem Falle zur Optimierung der Dynamik des Ladeendes die Funktion
der Stromerkennung verwendet, die ein Signal d1 ausgibt
und deren Funktion nachfolgend im Rahmen der dritten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben wird. Das Signal d1 entspricht
der logischen UND-Funktion der Ausgaben di1 bis
di5 der Erkennungsorgane 141 bis 145 ; die Schwellenspannung der Nebenkreise 121 bis 125 entspricht
der Lade-Endspannung (zum Beispiel 2,4 V) der Superkapazitäten 111 bis 115 und
die nominale Abzweigungsstromstärke
IdN beträgt
zum Beispiel 10 A.
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Der
Vereinfachung halber wird die erfindungsgemäße Funktion in diesem Falle
wieder anhand einer einzelnen Superkapazität erläutert, beispielsweise anhand
der Superkapazität 111 .
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Das
vom Stromerkennungsorgan 141 ausgegebene
Signal di1 ist eine Hysterese, die in 7 abgebildet
ist, in der die Ausgabe di1 entsprechend
der Abzweigungsstromstärke
id dargestellt wird.
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Der
aktivierte Zustand (di = 1) entspricht einem
solchen Wert für
V, dass das Ladegerät 15 eine konstante
Ladeintensität
ausgibt und wesentlich über der
nominalen Abzweigungsstromstärke
IdN liegen kann, und der deaktivierte Zustand
(di = 0) entspricht einem solchen Wert für V, dass
das Ladegerät 15 in Abhängigkeit
der Zeit t eine kontinuierlich fallende Ladeintensität ausgibt.
Das Laden erfolgt in mehreren Phasen, die in 8 dargestellt
sind, in der die Kurve 81 die Klemmenspannung des Moduls 20 in Abhängigkeit
der Zeit t und die Kurve 82 die Ladeintensität des Moduls 20 ebenfalls
in Abhängigkeit
der Zeit t zeigt.
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Die
Funktionsweise ist die Folgende, ICmax ist die
maximale Ladeintensität,
ICmin die minimale Ladeintensität, kleiner
als IdN und di/dt die Neigung der Ladeintensität.
Wenn
dv = 1, IC = Icmax.
Wenn dv =
0 und di = 1, bleibt die Ladeintensität konstant.
Wenn
dv = 0 und di =
0, IC = IC – (di/dt)xt.
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Sobald
IC kleiner als ICmin ist,
bleibt die Ladeintensität
konstant.
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Wenn
also dv im deaktivierten Zustand ist, lässt man
den Ladestrom innerhalb seines minimalen Wertes linear fallen, mit
einer Neigung von Null, wenn di im aktivierten
Zustand ist, und ungleich Null, wenn er im deaktivierten Zustand
ist.
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Wenn
dv im aktivierten Zustand ist, wird die Ladeintensität wieder
auf ihren maximalen Wert gebracht.
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Dank
dieser Stromerkennungsfunktion wird ein erweitertes Ladeprotokoll
bereitgestellt, in welchem am Ende des Ladevorgangs ein gewisses
Niveau der Abzweigungsintensität
aufrecht erhalten wird, wodurch man sich teilweise über den
Messfehler in Verbindung mit dem ohmschen Anteil hinwegsetzen kann,
der mit dem Serienwiderstand der Superkapazität zusammenhängt und proportional zur Ladeintensität ist. Die
durch das Signal dv erteilte Information, Überspannungserkennung,
ist aufgrund dieser Tatsache pessimistischer als die Realität, was für die Ladegeschwindigkeit
nachteilig ist. Das Laden der Superkapazität oder des Moduls wird somit
im Vergleich zur Ausführungsform
unter Verwendung von nur zwei Ladeintensitäten beschleunigt.
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Die
beschriebenen Ausführungsformen
werden selbstverständlich
nur zum Zwecke der Darstellung angeführt.
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Insbesondere
wird die dritte Ausführungsform
(Stromerkennungsfunktion in Verbindung mit der Spannungserkennungsfunktion)
in Zusammenhang mit der Verwendung der zweiten Ausführungsform
(Funktion der Spannungserkennung alleine) beschrieben, aber es ist
offensichtlich, dass die Stromerkennungsfunktion alleine in Verbindung
mit dem erfindungsgemäßen Nebenkreis
und ohne die Spannungserkennungsfunktion verwendet werden kann.
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Außerdem wurden
alle Beispiele der Bemessung zur Darstellung der erfindungsgemäßen Funktionsweise
des Verfahrens beschrieben und die darin enthaltenen Werte sind
in keiner Weise als einschränkend
zu betrachten.
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Die
Erfindung bezieht sich in allen Ausführungsformen ebenso auf die
Steuerung der Ladung einer einzelnen Superkapazität wie auf
das Ausgleichen eines Moduls aus mehreren Superkapazitäten.
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Andererseits
wurde in der obigen Beschreibung als Beispiel ein lineares Ansteigen
der Abzweigungsstromstärke
in Abhängigkeit
der Klemmenspannung der Superkapazität genannt, aber selbstverständlich kann
die Erfindung auch in allgemeinerer Weise ausgeführt werden, wenn die Abzweigungsstromstärke kontinuierlich
entsprechend der Klemmenspannung der Superkapazität ansteigt,
ab dem Moment, in dem der Unterschied zwischen der Referenzspannung
und der Schwellenspannung kleiner als 200 mV und das Verhältnis zwischen
der nominalen und der minimalen Abzweigungsstromstärke größer als
100 ist.