WO2001061821A1 - Schaltungsanordnung mit einer kette von kapazitäten - Google Patents

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Michael Kammerer
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    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement with a large number of capacitances connected in series.
  • Double-layer capacitors - often also called supercapacitors or ultracapacitors or ultracaps - enable a new type of electrochemical energy storage. With regard to the energy density and the access time to the energy content, they lie between large aluminum electrolytic capacitors and smaller accumulators. Energy is stored in accumulators with the help of reversible chemical reactions. Capacitors, on the other hand, use the polarization of a dielectric in the electric field to store energy. Double-layer capacitors, on the other hand, have no dielectric. They store the electrical energy by means of charge shifts at the interface between an electrode and an electrolyte.
  • the underlying effect is also known as the Helmholtz effect. This effect occurs when a voltage is applied between two carbon electrodes immersed in an electrolyte. A continuous current only flows when the voltage applied to the carbon electrodes exceeds a certain decomposition voltage. At the same time, gas evolution occurs as a result of a chemical reaction on the surface of the carbon electrodes. However, if the voltage applied to the carbon electrodes remains below this decomposition voltage, the carbon electrodes behave like the electrodes of a capacitor. Ions from the electrolyte accumulate when the voltage is applied to the interface with the carbon electrode and the carbon electrodes accordingly charge positively or negatively. The energy to be stored depends on the available surface of the carbon the electrode, the size of the ions and the level of the decomposition voltage.
  • the permissible operating voltage of double-layer capacitors remains limited to a few volts. Since the operating voltage is much higher in most applications, several double-layer capacitors generally have to be connected in series to form a module. Because of the different values of the individual capacitors and because of the different self-discharge behavior, the total voltage applied is not divided evenly between the individual double-layer capacitors. As a result, overvoltages can occur at individual double-layer capacitors, which lead to the destruction of the double-layer capacitor.
  • the object of the invention is therefore to create a circuit arrangement with a large number of capacitances connected in series, in which the occurrence of overvoltages is effectively suppressed.
  • the voltages on the capacitors are set by impedances connected in parallel with the capacitors, the magnitudes of the impedances being controlled with the aid of control means as a function of the voltages on the capacitors.
  • the circuit arrangement according to the invention has impedances connected in parallel with the capacitors. Since the size of these impedances can be changed, overvoltages applied to the capacitances can be effectively suppressed by lowering the impedance value. It is particularly advantageous that the impedances adapt to the respective operating state of the circuit arrangement.
  • a preferred embodiment of the invention is a chain of double-layer capacitors, each of which is assigned a control means. Modules can be formed from the double-layer capacitor and the associated control means, which can be strung together in any number.
  • the voltage applied to the double-layer capacitor is effectively limited to permissible values, so that no harmful overvoltages occur at the individual double-layer capacitor.
  • control means comprises a two-point control, which switches the impedances back and forth between two predetermined values.
  • the two-point control is expediently carried out with the aid of a threshold value switch, which lowers the value of the impedance at voltages on the double-layer capacitor above a predetermined threshold voltage.
  • a threshold value switch which lowers the value of the impedance at voltages on the double-layer capacitor above a predetermined threshold voltage.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a circuit arrangement according to the invention.
  • the circuit arrangement shown in FIG. 1 has a chain 1 composed of double-layer capacitors 2, which are also denoted by C-pi to C * ßn in FIG. Modules 3 are connected in parallel with the double-layer capacitors 2, the middle one of which is shown in detail in FIG.
  • the module 3 is connected to the chain 1 via a ground line 4 and a voltage line 5.
  • ground line should not mean that the ground line 4 is at a defined potential. Rather, the potential of the ground line 4 can float freely depending on the voltage applied to the double-layer capacitor C- Q 2.
  • ground line is only intended to express that the ground line 4 has the function of a ground within the module 3. The same applies to the voltage line 5.
  • the central part of the module 3 is the threshold switch 6.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 1 is a threshold switch with the designation
  • the threshold switch 6 is connected to the voltage line 5 via a low-pass filter formed by a resistor R5 and a capacitor C1.
  • the low-pass filter formed by the resistor R5 and the capacitor Cl serves to stabilize the voltage supply to the threshold switch 6.
  • the low-pass filter is followed by a voltage divider composed of the resistors R4 and R3, via which the voltage drop across the double-layer capacitor C-Q2 is applied to a non-inverting input 7 of the threshold - value switch 6 is created.
  • An inverting input 8 of the threshold switch 6 is supplied with a voltage from a reference output 9 of the threshold switch 6.
  • the reference output 9 also supplies a voltage divider from the resistors R1 and R2, from which a voltage for a hysteresis input 10 is tapped.
  • the hysteresis of the threshold switch 6 can be set by the voltage present at the hysteresis input 10.
  • the Threshold switch 6 via a ground input 11, which is connected to the ground line 4.
  • an output 12 of the threshold switch 6 becomes low-resistance and acts as a current sink. Conversely, the output 12 of the threshold switch 6 becomes high-resistance when the voltage at the non-inverting input 7 falls below the voltage at the inverting input 8.
  • a pull-up resistor R6 is provided in order to use the switching behavior of the threshold switch 6 to generate a voltage signal.
  • a voltage essentially corresponding to the voltage on the voltage line 5 is present at the input 12 of a downstream Darlington circuit 1 made of NPN transistors when the threshold switch 6 has a high resistance.
  • a voltage corresponding to the voltage on the ground line 4 is present at the input 12 of the Darlington circuit T1 when the output 11 of the threshold switch 6 has a low resistance.
  • the output 11 of the threshold switch 6 can also have a high resistance if it should be switched to a low resistance as a result of the voltages present at the non-inverting input 7 and inverting input 8. This is the case when the operating voltage of the threshold switch 6, that is to say the voltage between the ground line 4 and the voltage line 5, falls below a permissible lower limit value.
  • the resistor R7 is provided between the input 12 of the Darlington circuit D1 and the ground line 4. In this case, the input 12 of the Darlington circuit T1 is pulled to the potential of the ground line 4 and prevents the Darlington circuit T1 from being switched through.
  • a collector connection 13 of the Darlington circuit T1 is connected via a voltage divider consisting of a resistor R8 and a wi- the stand R9 connected to the base of a PNP transistor T2. Accordingly, the transistor T2 opens when the Darlington circuit Tl turns on. By opening the transistor T2, a low-resistance drain resistor RIO is finally released, by means of which the voltage applied to the double-layer capacitor C- Q 2 is reduced.
  • the module 3 assumes an impedance value which essentially corresponds to the ohmic resistance of the lead resistance RIO.
  • the module 3 has an impedance with an ohmic resistance, which is primarily determined by the resistors R3 to R7.
  • a light-emitting diode 15 can be present in parallel with the drain resistor RIO.
  • a series resistor R11 is finally provided to limit the current through the light-emitting diode 15.
  • the modules 3 effectively limit the voltage occurring at the double-layer capacitors 2. It is therefore not to be feared that overvoltages can occur at the double-layer capacitors 2 which are above the permissible limit value. This makes it possible to build chains with a total nominal voltage of several 100 V. claims
  • Circuit arrangement with a plurality of series-connected capacitors (2), characterized in that the voltages across the capacitors (2) are set by impedances (R3-R7, RIO) connected in parallel with the capacitors (2), the sizes of the Impedances (R3-R7, RIO) are controlled with the aid of control means (6, Tl, T2) depending on the voltages on the capacitors (2).
  • impedances R3-R7, RIO
  • control means are each formed by a control device (6, Tl, T2) assigned to a capacitance (2).

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Abstract

Eine Schaltungsanordnung weist eine Kette (1) aus Doppelschichtkondensatoren (2) auf. Parallel zu den Doppelschichtkondensatoren (2) sind Module (3) geschaltet, deren Impedanz sich verringert, wenn die Spannung über einem der Doppelschichtkondensatoren (2) einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dadurch werden Überspannungen an den Doppelschichtkondensatoren (2) wirksam unterdrückt.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung mit einer Kette von Kapazitäten
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteter Kapazitäten.
Doppelschichtkondensatoren - oft auch Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren oder Ultracaps genannt - ermöglichen eine neue Art der elektrochemischen Energiespeicherung. Sie liegen hinsichtlich der Energiedichte und der Zugriffszeit auf den Energieinhalt zwischen großen Aluminium-Elektrolyt - Kondensatoren und kleineren Akkumulatoren. In Akkumulatoren erfolgt die Energiespeicherung mit Hilfe von reversiblen che- mischen Reaktionen. Kondensatoren dagegen nutzen die Polarisation eines Dielektrikums im elektrischen Feld zur Energiespeicherung aus. Doppelschichtkondensatoren besitzen dagegen kein Dielektrikum. Sie speichern die elektrische Energie durch Ladungsverschiebungen an der Grenzfläche zwischen einer Elektrode und einem Elektrolyt.
Der zugrunde liegende Effekt wird auch als Helmholtz-Effekt bezeichnet. Dieser Effekt tritt auf, wenn eine Spannung zwischen zwei in einen Elektrolyt getauchte Kohlenstoffelektro- den angelegt wird. Dabei fließt erst dann ein kontinuierlicher Strom, wenn die an die Kohlenstoffelektroden angelegte Spannung eine bestimmte Zersetzungsspannung übersteigt. Gleichzeitig setzt eine Gasentwicklung als Folge einer chemischen Reaktion an der Oberfläche der Kohlenstoffelektroden ein. Wenn die an die Kohlenstoffelektroden angelegten Spannung jedoch unter dieser Zersetzungsspannung bleiben, verhalten sich die Kohlenstoffelektroden wie die Elektroden eines Kondensators. Ionen aus dem Elektrolyt lagern sich beim Anlegen der Spannung an der Grenzfläche zur Kohlenstoffelektrode an und entsprechend laden sich die Kohlenstoffelektroden positiv oder negativ auf. Die zu speichernde Energie hängt hierbei von der zur Verfügung stehenden Oberfläche der Koh- lenstoffelektrode, der Größe der Ionen und der Höhe der Zersetzungsspannung ab.
Durch den Einsatz von Kohlenstoffelektroden aus aktivem Koh- lenstoff und Elektrolyt mit einer Zersetzungsspannung von 3 Volt gelang es, Kondensatoren mit extrem hoher Energiedichte (2Wh/kg) zu entwickeln. Die Leistungsabgabe dieser Kondensatoren ist zwar höher als die Leistungsabgabe von Akkumulatoren, jedoch deutlich niedriger als die Leistungsabgabe von herkömmlichen Kondensatoren. Durch verschiedene Maßnahme konnte jedoch in der Folge die Vorwiderstände in den Kohlenstoffelektroden deutlich gesenkt werden und daher eine hohe Leistungsdichte von über 1000 W/kg erreicht werden.
Die zulässige Betriebsspannung von Doppelschichtkondensatoren bleibt jedoch auf wenige Volt begrenzt. Da bei den meisten Anwendungen die Betriebsspannung wesentlich höher sind, müssen im allgemeinen mehrere Doppelschichtkondensatoren zu einem Modul in Reihe geschaltet werden. Aufgrund der unter- schiedlichen Werte der einzelnen Kapazitäten sowie wegen des unterschiedlichen Selbstentladeverhalten teilt sich die angelegte gesamte Spannung nicht gleichmäßig auf die einzelnen Doppelschichtkondensatoren auf. Dadurch können an einzelnen Doppelschichtkondensatoren Überspannungen auftreten, die zur Zerstörung des Doppelschichtkondensators führen.
Der Erfindung liegt daher der Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Kapazitäten zu schaffen, in der das Auftreten von Überspan- nungen auf wirksame Weise unterdrückt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Spannungen an den Kapazitäten durch parallel zu den Kapazitäten geschaltete Impedanzen eingestellt sind, wobei die Größen der Impedanzen mit Hilfe von Steuermitteln in Abhängigkeit von den Spannungen an den Kapazitäten gesteuert sind. Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung weist parallel zu den Kapazitäten geschaltete Impedanzen auf. Da die Größe dieser Impedanzen veränderbar ist, können an den Kapazitäten anliegende Überspannungen auf wirksame Weise durch Absenken des Impedanzwertes unterdrückt werden. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß sich die Impedanzen an den jeweiligen Betriebszustand der Schaltungsanordnung anpassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um eine Kette von Doppelschichtkondensatoren, den jeweils ein Steuermittel zugeordnet ist. Aus dem Doppelschicht - kondensator und dem zugeordneten Steuermittel können Module gebildet werden, die in beliebiger Zahl aneinandergereiht werden können. Dabei wird die am Doppelschichtkondensator an- liegende Spannung auf wirksame Weise auf zulässige Werte begrenzt, so daß am einzelnen Doppelschichtkondensator keine schädlichen Überspannungen auftreten.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Steuermittel eine Zwei -Punkt -Regelung, die die Impedanzen zwischen zwei vorgegebenen Werten hin und her schaltet. Zweckmäßigerweise wird die Zwei-Punkt -Regelung mit Hilfe eines Schwellwertschalters bewerkstelligt, der bei Spannungen am Doppelschichtkondensator oberhalb einer vorgegebenen Schwellenspannung den Wert der Impedanz senkt. Eine derartige Schaltungsanordnung läßt sich mit einfachen Mitteln aufbauen und ist dennoch geeignet, an den Doppelschichtkondensatoren auftretende Überspannungen zu dämpfen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert . Es zeigt :
Figur 1 einen Schaltungsplan einer Schaltungsanordnung ge- maß der Erfindung. Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung weist eine Kette 1 aus Doppelschichtkondensatoren 2 auf, die in Figur 1 auch mit C-pi bis C* ßn bezeichnet sind. Parallel zu den Doppelschichtkondensatoren 2 sind Module 3 geschaltet, von denen das mittlere in Figur 1 im einzelnen dargestellt ist.
Das Modul 3 ist über eine Masseleitung 4 und eine Spannungs- leitung 5 an die Kette 1 angeschlossen. Die Bezeichnung Masseleitung soll in diesem Zusammenhang nicht bedeuten, daß die Masseleitung 4 auf definiertem Potential liegt. Das Potential der Masseleitung 4 kann vielmehr je nach der am Doppel - Schichtkondensator C-Q2 angelegten Spannung frei schwimmen. Durch die Bezeichnung Masseleitung soll lediglich zum Ausdruck gebracht werden, daß die Masseleitung 4 die Funktion einer Masse innerhalb des Moduls 3 hat. Entsprechendes gilt für die Spannungsleitung 5.
Der zentrale Teil des Moduls 3 ist der Schwellwertschalter 6. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Schwellwertschalter mit der Bezeichnung
MAX965 der Firma Maxim. Der Schwellwertschalter 6 ist über ein von einem Widerstand R5 und einem Kondensator Cl gebildeten Tiefpaßfilter an die Spannungsleitung 5 angeschlossen. Das von dem Widerstand R5 und dem Kondensator Cl gebildete Tiefpaßfilter dient der Stabilisierung der Spannungsversorgung des Schwellwertschalters 6. Dem Tiefpaßfilter nachgeschaltet ist ein Spannungsteiler aus den Widerständen R4 und R3 , über den die am Doppelschichtkondensator C-Q2 abfallende Spannung auf einen nichtinvertierenden Eingang 7 des Schwell - wertschalters 6 angelegt wird. Ein invertierender Eingang 8 des Schwellwertschalters 6 ist mit einer Spannung aus einem Referenzausgang 9 des Schwellwertschalters 6 beaufschlagt. Der Referenzausgang 9 versorgt auch einen Spannungsteiler aus den Widerständen Rl und R2 , an dem eine Spannung für einen Hystereseeingang 10 abgegriffen ist. Durch die am Hystereseeingang 10 anliegende Spannung kann die Hysterese des Schwell - wertschalters 6 eingestellt werden. Schließlich verfügt der Schwellwertschalter 6 über einen Masseeingang 11, der an die Masseleitung 4 angeschlossen ist .
Wenn die Spannung am nichtinvertierenden Eingang 7 die Span- nung am invertierenden Eingang 8 übersteigt, wird ein Ausgang 12 des Schwellwertschalters 6 niederohmig und wirkt als Stromsenke. Umgekehrt wird der Ausgang 12 des Schwellwert - Schalters 6 hochohmig, wenn die Spannung am nichtinvertierenden Eingang 7 die Spannung am invertierenden Eingang 8 unter- schreitet.
Um das Schaltverhalten des Schwellwertschalters 6 zum Erzeugen eines Spannungssignals zu nutzen, ist ein Pull-Up- Widerstand R6 vorgesehen. Dadurch liegt am Eingang 12 einer nachgeschalteten Darlingtonschaltung 1 aus NPN-Transistoren eine im wesentlichen der Spannung auf der Spannungsleitung 5 entsprechende Spannung an, wenn der Schwellwertschalter 6 hochohmig ist. Umgekehrt liegt am Eingang 12 der Darlingtonschaltung Tl eine der Spannung auf der Masseleitung 4 ent- sprechende Spannung an, wenn der Ausgang 11 des Schwellwert - Schalters 6 niederohmig ist.
Der Ausgang 11 des Schwellwertschalters 6 kann jedoch auch dann hochohmig werden, wenn er an sich aufgrund der am nicht - invertierenden Eingang 7 und invertierenen Eingang 8 anliegenden Spannungen niederohmig geschaltet sein sollte. Dies ist dann der Fall, wenn die Betriebsspannung des Schwellwert - Schalters 6, also die Spannung zwischen Masseleitung 4 und Spannungsleitung 5 einen zulässigen unteren Grenzwert unter- schreitet. Für diesen Fall ist der Widerstand R7 zwischen dem Eingang 12 der Darlingtonschaltung Dl und der Masseleitung 4 vorgesehen. In diesem Fall wird der Eingang 12 der Darlingtonschaltung Tl auf das Potential der Masseleitung 4 gezogen und ein Durchschalten der Darlingtonschaltung Tl verhindert.
Ein Kollektoranschluß 13 der Darlingtonschaltung Tl ist über einen Spannungsteiler aus einem Widerstand R8 und einem Wi- derstand R9 an die Basis eines PNP-Transistors T2 angeschlossen. Demnach öffnet der Transistor T2 , wenn die Darlingtonschaltung Tl durchschaltet. Durch das Öffnen des Transistors T2 wird schließlich ein niederohmiger Abieitwiderstand RIO freigeschaltet , durch den die am Doppelschichtkondensator C-Q2 anliegende Spannung abgebaut wird.
Falls die Spannung am Doppelschichtkondensator Cj2 den voreingestellten Wert überschreitet nimmt das Modul 3 einen Im- pedanzwert an, der im wesentlichen gleich dem ohmischen Widerstand des Abieitwiderstands RIO entspricht.
Wenn dagegen die Spannung am Doppelschichtkondensator C-Q2 unterhalb des voreingestellten Wertes liegt, weist das Modul 3 eine Impedanz mit einem ohmischen Widerstand auf, der vorallem durch die Widerstände R3 bis R7 bestimmt wird.
Um das Auftreten einer Überspannung am Doppelschichtkondensator C-Q2 anzuzeigen, kann parallel zum Abieitwiderstand RIO eine Leuchtdiode 15 vorhanden sein. Zur Begrenzung des Stroms durch die Leuchtdiode 15 ist schließlich ein Vorwiderstand Rll vorgesehen.
Durch die Module 3 wird an die an den Doppelschichtkondensa- toren 2 auftretende Spannung auf wirksame Weise begrenzt. Es ist daher nicht zu befürchten, daß an den Doppelschichtkondensatoren 2 Überspannungen auftreten können, die oberhalb des zulässigen Grenzwerts liegen. Dadurch ist es möglich, Ketten aufzubauen, die insgesamt eine Nennspannung von mehre- ren 100 V aufweisen. Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Kapazitäten (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Spannungen an den Kapazitäten (2) durch parallel zu den Kapazitäten (2) geschaltete Impedanzen (R3-R7, RIO) eingestellt sind, wobei die Größen der Impedanzen (R3-R7, RIO) mit Hilfe von Steuermitteln (6, Tl, T2) in Abhängigkeit von den Spannungen an den Kapazitäten (2) gesteuert sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kapazitäten Doppelschichtkondensatoren (2) sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuermitteln von jeweils einer Kapazität (2) zugeordneten Steuervorrichtungen (6, Tl, T2) gebildet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuervorrichtung (6, Tl, T2) eine Zwei-Punkt -Regelung aufweist .
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuervorrichtung einen Schwellwertschalter (6) umfaßt.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der SchwellwertSchalter (6) die am der zugeordneten Kapazität (2) abfallende Spannung als Betriebsspannung verwendet.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schwellwertschalter (6) die als Schaltschwelle verwendete Schwellwertspannung selbst erzeugt.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schwellwertschalter (6) Schalttransistoren (Tl, T2 ) steuert, die die Impedanz (R3-R7, RIO) in Abhängigkeit von der Spannung am zugeordneten Kondensator einstellen.
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