DE60207010T2

DE60207010T2 - Ausgleichsverfahren und -vorrichtung für einen Superkondensator

Info

Publication number: DE60207010T2
Application number: DE60207010T
Authority: DE
Inventors: Philippe Desprez; Gerard Barrailh; Damien Rochard; Stephane Rael; Fadi Sharif; Bernard Davat
Original assignee: Saft Finance SARL
Current assignee: Saft Finance SARL
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: EP1274106A1; FR2826202B1; DE60207010D1; FR2826202A1; US20030062876A1; EP1274106B1; US6664766B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleichen von Superkapazitäten, das heißt, zum Ausgleichen einer oder mehrerer Superkapazitäten.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In Leerlaufschaltung führt ein hoher Verluststrom des Nebenkreises außerdem zu einer Entladung der Superkapazität und daher zu einem raschen Absinken deren Spannung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Transistors des Typs MOSFET oder eines bipolaren Transistors besteht in dessen sehr niedrigem Verluststrom (kleiner als ein μA).
Vorteilhafterweise kann die Referenzspannung gemäß der einfachsten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Lade-Endspannung der Superkapazität entsprechen.
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.
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.
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.
Diese Steuerung wird beispielsweise durch die Funktion der Spannungserkennung erreicht, die ein Signal in Form einer Hysterese ausgibt.
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.
Dies erlaubt insbesondere ein lineares Senken der Ladeintensität bei gleichzeitiger Erhaltung einer gewissen Stromstärke des Abzweigungsstroms.
In diesem Falle wird die Steuerung beispielsweise mit Hilfe der Stromerkennungsfunktion realisiert, die ein Signal in Form einer Hysterese ausgibt.
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.
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.
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.
Ein Gesamtaufbau dieser Module kann mit einem einzigen Nebenkreis an den Klemmen dieses Gesamtaufbaus in Serie und/oder parallelgeschaltet sein.
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.
In den nachfolgenden Figuren zeigt:
1 das Grundschaltbild eines Nebenkreises zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einer einfachen Superkapazität;
2 das Grundschaltbild eines erfindungsgemäßen Ausgleichkreises eines Moduls aus mehreren Superkapazitäten, wie in 1 dargestellt;
3 ein Beispiel einer Kennlinie der Abzweigungsstromstärke nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit der Klemmenspannung einer Superkapazität;
4 die Klemmenspannung und die Abzweigungsstromstärke der Bauteile eines Moduls aus Superkapazitäten, die nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgeglichen werden;
5 die Hysteresekurve der erfindungsgemäßen Spannungserkennungsfunktion;
6 die Klemmenspannung und die Ladeintensität eines Moduls aus Superkapazitäten, das nach einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgeglichen wird;
7 die Hysteresekurve der erfindungsgemäßen Stromerkennungsfunktion;
8 die Klemmenspannung und die Ladeintensität eines Moduls aus Superkapazitäten, das nach einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgeglichen wird.
In allen Figuren werden gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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 I_c 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 d_v und d_i der Ladesteuerung, deren Interpretation durch das Ladegerät 15 der Superkapazität 11 ein sicheres und rasches Laden erlaubt, wie weiter unten detailliert erläutert wird.
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 10_n (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.
Erfindungsgemäß sind die Ausgaben d_vn jedes Erkennungsorgans 14_n miteinander verbunden, um eine logische Funktion 21 der Spannungserkennung zu erzeugen, deren Ausgabesignal d_v an das Ladegerät 15 gesendet wird.
Ebenso sind die Ausgänge di_n jedes Erkennungsorgans 14_n miteinander verbunden, um eine logische Funktion 22 der Stromerkennung zu erzeugen, deren Ausgabesignal d_i an das Ladegerät 15 gesendet wird.
Nachfolgend wird die Funktion des erfindungsgemäßen Nebenkreises 12 (oder 12₁ bis 12₅ ) in Bezug auf die 1 und 3 erläutert.
Nach einer ersten Ausführungsform wird erfindungsgemäß die Steuerung der Klemmenspannung einer Superkapazität 11 bereitgestellt, und, im Falle einer Überladung, wird der Ladestrom I_c 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.
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 i_d darstellt, die im Nebenkreis 12 in Abhängigkeit der Klemmenspannung V des Nebenkreises fließt. Die Kurve 30 zeigt drei Abschnitte:

– einen Abschnitt 30₁ , in welchem i_d eine Konstante I_dmin (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 i_d von einem Wert I_dmin bis zu einem Wert I_dN linear ansteigt, genannt nominale Abzweigungsstromstärke für einen Wert V = V2, genannt Referenzspannung;
– einen Abschnitt 30₃ , in welchem i_d eine Konstante ist, die in Abhängigkeit von V gleich oder größer als I_dN ist.

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.
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 I_c wird somit auf einen Wert, zum Beispiel 5 A, vorbestimmt und die nominale Abzweigungsstromstärke I_dN wird auf einen höheren Wert als I_c eingestellt.
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.
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.
Bei der nachfolgend beschriebenen einfachen Ausführungsform, in der die Erkennungsorgane 14_n (und die logischen Funktionen der Spannungserkennung 21 und der Stromerkennung 22) nicht verwendet werden, ist der maximale Ladestrom I_dN und das Laden erfolgt mit konstantem Strom, um jede Überladung der Superkapazitäten zu vermeiden.
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 I_dN liegen kann und das zweite gleich oder niedriger als die nominale Abzweigungsstromstärke I_dN sein muss. In die sem Falle werden die Erkennungsorgane 14_n und die Funktion der Spannungserkennung 21 (siehe 2) verwendet, deren Ausgabe d_v 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 I_dN beträgt beispielsweise 10 A.
Aus Gründen der Vereinfachung wird die Funktionsweise der Erfindung in diesem Falle anhand einer einzelnen Superkapazität erläutert, beispielsweise der Superkapazität 11₁ .
Das durch das Erkennungsorgan 14₁ ausgegebene Signal d_v1 ist eine Hysterese, wie in 5 dargestellt, in welcher die Ausgabe d_v1 in Abhängigkeit der Klemmenspannung der Superkapazität 11₁ dargestellt ist. Der aktivierte Zustand (d_v = 1) entspricht einem solchen Wert für V, dass das Ladegerät 15 eine Ladeintensität ausgibt, die über der nominalen Abzweigungsstromstärke I_dN liegt, und der deaktivierte Zustand (d_v = 0) entspricht einem solchen Wert für V, dass das Ladegerät eine Ladeintensität ausgibt, die gleich oder niedriger als I_dN 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.
Phase 1: d_v = 1
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 I_dN.
Phase 2: d_v = 1
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 d_v daher auf 0.
Phase 3: d_v = 0
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.
Phase 4: d_v = 0
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.
Phase 5: d_v = 0
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.
Die Änderungen der Ladeintensität werden mit Hilfe des Ladegerätes 15 vorgenommen, welches die Information d_v vom Erkennungsorgan 14₁ (oder von der Erkennungsfunktion 21 im Falle des Moduls 20) erhält und infolge dessen die Ladeintensität ändert.
Die Feststellung, dass die Verschiebung zwischen der Lade-Endspannung der Superkapazität (2 V) und des Wertes V dem Übergang von d_v 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.
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.
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 I_dN vorgenommen und somit die Ladedauer bei gleichzeitiger Sicherung des Ladeendes optimiert werden.
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 (d_v = 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.
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 d_i1 bis d_i5 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 I_dN beträgt zum Beispiel 10 A.
Der Vereinfachung halber wird die erfindungsgemäße Funktion in diesem Falle wieder anhand einer einzelnen Superkapazität erläutert, beispielsweise anhand der Superkapazität 11₁ .
Das vom Stromerkennungsorgan 14₁ ausgegebene Signal d_i1 ist eine Hysterese, die in 7 abgebildet ist, in der die Ausgabe d_i1 entsprechend der Abzweigungsstromstärke i_d dargestellt wird.
Der aktivierte Zustand (d_i = 1) entspricht einem solchen Wert für V, dass das Ladegerät 15 eine konstante Ladeintensität ausgibt und wesentlich über der nominalen Abzweigungsstromstärke I_dN liegen kann, und der deaktivierte Zustand (d_i = 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.
Die Funktionsweise ist die Folgende, I_Cmax ist die maximale Ladeintensität, I_Cmin die minimale Ladeintensität, kleiner als I_dN und di/dt die Neigung der Ladeintensität.
Wenn d_v = 1, I_C = I_cmax.
Wenn d_v = 0 und d_i = 1, bleibt die Ladeintensität konstant.
Wenn d_v = 0 und d_i = 0, I_C = I_C – (di/dt)xt.
Sobald I_C kleiner als I_Cmin ist, bleibt die Ladeintensität konstant.
Wenn also d_v im deaktivierten Zustand ist, lässt man den Ladestrom innerhalb seines minimalen Wertes linear fallen, mit einer Neigung von Null, wenn d_i im aktivierten Zustand ist, und ungleich Null, wenn er im deaktivierten Zustand ist.
Wenn d_v im aktivierten Zustand ist, wird die Ladeintensität wieder auf ihren maximalen Wert gebracht.
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 d_v 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.
Die beschriebenen Ausführungsformen werden selbstverständlich nur zum Zwecke der Darstellung angeführt.
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.
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.
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.
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.

Claims

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, darin gekennzeichnet, dass 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, ansteigt, und dass der Unterschied zwischen der Referenzspannung und der Schwellenspannung kleiner als 200 mV ist und das Verhältnis zwischen der nominalen und der minimalen Abzweigungsstromstärke größer als 100 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Abzweigungsstromstärke linear entsprechend der Klemmenspannung der Superkapazität ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, in welchem die Abzweigungsstromstärke entsprechend der Klemmenspannung der Superkapazität begrenzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem die Referenzspannung der Spannung des Ladeendes der Superkapazität entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem die Schwellenspannung der Spannung des Ladeendes der Superkapazität entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner bestehend aus der 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 somit verringert ist, dann in den aktivierten Zustand zurückkehrt, wenn die Klemmenspannung der Superkapazität kleiner wird als eine minimale Steuerspannung.
Verfahren nach Anspruch 6, in welchem das von der Funktion der Spannungserkennung ausgegebene Signal ein Signal in Form einer Hysterese ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner bestehend aus der 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 somit verringert ist, dann in den aktivierten Zustand zurückkehrt, wenn die Abzweigungsstromstärke kleiner wird als eine minimale Steuerungsintensität.
Verfahren nach Anspruch 8, in welchem das durch die Funktion der Stromerkennung ausgegebene Signal eine Hysterese ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bestehend aus zumindest einer Superkapazität (11), an deren Klemmen ein Nebenkreis (12) parallelgeschaltet ist, der einen stromgesteuerten Leistungsverstärker, bestehend aus einem MOSFET-Transistor, einem bipolaren Transistor oder einem IGBT-Transistor, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, in welcher ein Erkennungsorgan (14), welches zumindest ein für die Klemmenspannung der Superkapazität (d_v) und/oder die Abzweigungsstromstärke (d) repräsentatives Hysteresesignal ausgibt, mit dem Nebenkreis (12) verbunden ist und das Signal (d_v, d_i) an Lademittel (15) der Superkapazität ausgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bestehend aus mehreren in Serie geschalteten Superkapazitäten (11₁ , ..., 11₅ ), einem Nebenkreis (12₁ , ..., 12₅ ), der mit den Klemmen jeder Superkapazität (11₁ , ..., 11₅ ) parallelgeschaltet ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 10 und 11, in welchem die durch die Gesamtheit der Erkennungsorgane (12₁ , ..., 12₅ ) ausgegebenen Signale (dv₁, ..., dv₅, di₁, ..., di₅) durch eine logische UND-Funktion verbunden sind, deren Ausgabe an die Lademittel (15) gesendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bestehend aus mehreren in Serie geschalteten Superkapazitäten, einem einzi gen Nebenkreis, der mit den Klemmen aller Superkapazitäten parallelgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bestehend aus mehreren parallelgeschalteten Superkapazitäten, einem einzigen Nebenkreis, der mit den Klemmen aller Superkapazitäten parallelgeschaltet ist.