CN1943091A - 用于双层电容器的串联电容器的电荷平衡的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于双层电容器(DLC)的电容器(C1－Cn)的电荷平衡的装置和方法，具有被分配给每个单个电容器的单个变压器(Tr1－Tr2)，并且具有回扫变压器或者线圈(Tr0)，从所述回扫变压器或者线圈经由所述单个变压器把能量向带有相应最低电荷的单个变压器传输，其中从回扫变压器的所测量的充电持续时间和放电持续时间推断双层电容器和电荷平衡电路的状态。

Description

用于双层电容器的串联电容器的电荷平衡的装置和方法
本发明涉及一种如权利要求1或2所述的尤其是在车辆电网中用于使双层电容器的串联电容器的电荷平衡的装置。
本发明还涉及一种如权利要求5所述的运行该装置的方法。
例如在通过作为电动机工作的集成起动发电机提速支持(助推)内燃机的情况下或者在通过作为发电机工作的集成起动发电机将再生性制动过程(再生)中的动能转换成电能的情况下，双层电容器已经证实为用于在车辆电网中存储和提供短时间高功率的最有意义的技术解决方案。
双层电容器的单电容器的最高电压被限制为约2.5V至3.0V，从而对于例如60V的电压值(即在42V车辆电网中所使用的双层电容器的典型的电压值)必须将约20至25个单个电容器串联成电容器组。
以单个电容器的不同的自放电(在16小时内约5％至8％)为条件，在电容器组中随着时间形成电荷不平衡，如果不采取电荷平衡，则所述电荷不平衡使双层电容器最终不能用。如果从周至月的时间间隔上外推在汽车的情况下重要的放电曲线，则存在的问题就是显而易见的。
例如，正如在铅酸蓄电池的情况下那样通过对该组稍微过充电所引起的简单电荷平衡在双层电容器的情况下却是不可能的。
从EP 0 432 639 B2中公知，在许多串联的蓄电池的情况下在弱充电的蓄电池与其余蓄电池的组之间的电荷平衡是通过以下方式达到的，即为该蓄电池组的每个单个蓄电池设置比较电路和具有矩形波函数发生器的充电电路、以及二极管、变压器和断路器。借助于这种作为回扫转换器(根据闭塞换能器原理)工作的装置，从整个组提取能量并且随后将所述能量回馈到放电最多的蓄电池。
该耗费对两个或者三个蓄电池尚为合算，对于由二十个或者更多的蓄电池/电容器组成的组来说，所述耗费明显过高了。
本发明的任务是，创造一种具有被简化的结构的装置，借助这种装置可以实现自控运行，用于以很低的技术耗费在双层电容器的电容器组的单个电容器之间进行电荷平衡。本发明的任务还是，说明一种运行该装置的方法，借助于所述方法可以进行对所述装置和所述电容器组的功能监视。
根据本发明，所述任务通过依照权利要求1或2的特征的装置和依照权利要求5的特征的方法来解决。
本发明的有利的扩展可以由从属权利要求给出。
下面借助于示例的附图详细地说明本发明的实施例。在附图中：
图1示出根据本发明的第一实施例的电路，
图2示出该电路的被选取的点的电压特性曲线，
图2示出该电路的被选取的点的电流特性曲线，
图4示出根据本发明的第二实施例的电路，
图1示出根据本发明的第一实施例的电路，其具有由n个串联的单个电容器C1至Cn组成的双层电容器DLC，所述双层电容器有一个正的和一个负的端子V+和V-。
该电路具有回扫变压器Tr0，其初级绕组和次级绕组彼此反相地绕制并且具有存储磁能的作用.在图1和图4中在变压器上标出的点示出相应的绕组始端。
回扫变压器Tr0的初级绕组一方面与所述正端子V+连接，而另一方面与例如被构造为MOSFET的开关晶体管T1的漏极端子连接。然而开关晶体晶体管T1也可以被构成为带有基极、发射极和集电极端子的双极型晶体管。所述开关晶体管T1的源极端子一方面与第一电压比较器KOMP1的反相输入端连接而另一方面通过第一电阻R1与负端子V-连接，所述负端子V-处在电路的基准电位(地)上。
开关晶体管T1的栅极端子与第一“与”门UND1的输出端连接，其中向所述第一“与”门的一个输入端输送由外部的未示出的控制逻辑电路所提供的控制信号EN，并且所述第一“与”门的另一个输入端与第二“与”门UND2的输出端连接。
第一电压比较器KOMP1的非反相输入端与对地基准电压Vref1相连接，并且其输出端与第二“与”门UND2的一个输入端以及与监控单元DIGA(诊断)的第一输入端相连接。
回扫变压器Tr0的次级绕组的一个端子直接连接到负端子V-，而另一个端子经第一二极管D0和第二电阻R2连接到该负端子V-。第一电容器C0一方面连接到所述第一二极管D0的阴极而另一方面连接到负端子V-。第一二极管D0的阴极与第二电阻R2的连接点连接到第二电压比较器KOMP2的反相输入端，而所述第二电压比较器KOMP2的非反相输入端处在基准电压Vref1上。
该第二电压比较器KOMP2的输出端一方面与所述第二“与”门UND2的另一个输入端相连接，而另一方面与监控单元DIAG的第二输入端相连接。
监控单元DIAG的第三输入端连接到第二电压比较器KOMP2的非反相输入端，并且监控单元DIAG的第四输入端处在第二对地基准电压Verf2上。监控单元DIAG的输出端提供状态信号ST，该状态信号ST由外部的未示出的分析逻辑电路监控，对此在下文中将详细说明。
对双层电容器DLC的每个单个电容器C1至Cn都分配一个同相绕制的(初级绕组与次级绕组是相互同相绕制的)单个变压器Tr1至Trn。
每个单个变压器Tr1至Trn的次级绕组的绕组始端经由单个二极管D1至Dn与被分配给它的单个电容器C1至Cn的正端子+C1至+Cn相连接，而另一个端子直接与被分配给它的单个电容器C1至Cn的另一个(负)端子连接。
单个变压器Tr1至Trn的初级绕组并联连接，其中公共的绕组始端连接到第一二极管D0的阴极，并且公共的绕组末端连接到负端子V-(基准电位)并且连接到回扫变压器Tr0的次级绕组的绕组末端。在此通过双线总线线路实现回扫变压器(Tr0)与单个变压器的连接。
接下来，借助于所述电路的被选取的点的、在图2a至图2e(电压)中以及在图3a至图3e(电流)中示出的信号特性曲线来说明用于运行该装置的方法。在此假定，所述双层电容器DLC的额定电压＝10V，并且单个电容器的额定电压＝2.5V，同时n＝4。这里，电荷平衡根据双层电容器DLC的总电压进行，然而还可以根据其它的储能器进行，只要其与双层电容器DLC相连接，然而这在图1中没有示出。
借助于上述控制信号EN(图2a，在时间点t＝1μs开始)，在该信号的持续时间期间1经“与”门UND1开通开关晶体管T1(图2b示出在开关晶体管T1的漏极端子上的电压；直到时间点t＝1μs为止在漏极端子上的电压为+10V，在时间点t＝1μs时该电压下降到接近于0V)。如果控制信号EN以及“与”门UND2的输出位于高电平，则导通开关晶体管T1(图2e，t＝1μs)。
电流开始从正端子V+经过回扫变压器Tr0的初级绕组、经过开关晶体管T1和第一电阻R1流向负端子V-(图3a)，其中在第一电阻R1上有与该电流成比例的电压(图2c)。
在第一电阻R1上的电压随着电流增加而上升，也就是说还随着对回扫变压器Tr0的铁芯的充电增加而上升。如果所述电压在时间点t≌2.2μs达到基准电压Vref1的值，则电压比较器KOMP1把其输出端从高电平切换到低电平，接着“与”门UND″的输出端也成为低电平并且由此把开关晶体管切换到不导通。也就是说，电压比较器KOMP1用于检测回扫变压器Tr0的初级电流。
因为此时流过第一电阻R1的电流急剧地下降，所以位于其上的电压也降低并且下降至基准电压Vref1的值以下。这时KMOP1的输出端将会立即重新变为高电平，由此重新导通开关晶体管T1。
为了防止这一点，在断开回扫变压器Tr0时，在其次级侧出现的电压阶跃被检测，并且被用于保持开关晶体管T1不导通，直到回扫变压器完全地放电为止。
在开关晶体管切换到不导通时，回扫变压器Tr0初级侧的电压(由存储在其铁芯中的能量驱动)上升至超过在正端子上的电压V+。同样在其次级侧的电压也上升；由它所引起的电流流经沿导通方向工作的第一二极管D0(图2d)，并且在第二电阻R2上产生成比例的电压，该电压的上升速度由第一电容器C0的充电来确定。该电压抵达电压比较器KOMP2的反相输入端。于是，该电压比较器用于检测回扫变压器Tr0的次级电压。
只要该电压一高于基准电压Vref1，则电压比较器KOPM2的输出端就切换到低电平，从而开关晶体管T1通过“与”门UND1和UND2保持不导通。只有当回扫变压器Tr0完全放电，并且在其次级侧的电压消失(zusammenbricht)，在电压比较器KOMP2的反相的输入端上的电压才下降到基准电压Vref1以下，接着其输出端变为高电平并且通过“与”门UND2和UND1控制开关晶体管T1重新导通。
在开关晶体管T1导通切换时回扫变压器Tr0的次级绕组的电压变为负的，这在此是无意义的，因为这时第一二极管D0截止。
在开关晶体管T1不导通切换以后，在回扫变压器Tr0中所存储的能量经由回扫变压器Tr0的次级绕组和第一二极管D0流向第一电容器C0并且流向小的单个变压器Tr1至Trn的并联连接的次级绕组，并且从那里经由次级绕组以及单个二极管D1至Dn流向单个电容器C1至Cn。
与开关晶体管T1的不导通切换相关联的在回扫变压器Tr0的次级绕组中的急剧电流上升首先使第一电容器充电C0。由此单个变压器Tr1至Trn的主电感得到用于电流建立的足够的时间，从而最后电流也可以在其次级侧上流通。
因此，在单个变压器(例如Tr1)的次级侧出现对应于单个电容器C1的充电电压和单个二极管D1的流动电压所组成的和的电压。这以相同的方式对于变压器Tr2至Trn的次级电压也是这种情况。该电压的一个典型值例如是3.2V，其中C1的充电电压是2.5V并且D1的流通电压是0.7V。在采用肖特基二极管时该二极管流通电压只有约0.3V。
每一个单个变压器的初级电压由相应的次级电压和针对每个单个变压器Tr1至Trn被设为相同的变压比来给出。
其结果是，对于单个电容器C1至Cn的不同的充电电压也得出变压器Tr1至Trn的不同的初级电压。
但是因为这时所有变压器Tr1至Trn的初级绕组是并联连接的，所以必然得到统一的初级电压，并由此也得到统一的次级电压。
在此，该统一的初级电压由带有最低的充电电压的单个电容器(例如C1)引起，因为所述单个电容器确实也在被分配给它的单个变压器Tr1上产生最低的初级电压。
该统一的初级电压(用变压器的成倒数的变压比变换)也位于所有其它变压器Tr2至Trn的次级侧。
然而因为此时该电压小于各个单个电容器C2至Cn的充电电压与所分配的单个二极管的流通电压所组成的和，所以这些单个二极管D2至Dn变为不导通，并且单个电容器C2至Cn不获得充电电流。相反地，来自回扫变压器Tr0的次级侧的电流基本上作为充电电流流向带有最低电压的单个电容器(C1)。
在充电过程中，此时该电容器的电压上升，并且所述电压达到带有次最低电压的电容器的值。从此时开始，被分配给该电容器的单个二极管也变为导通，并且该电容器也得到充电电流的一部分。因此从此时开始两个电容器的电压将上升，直到其电压达到第三最低电压的电容器的值为止，等等。
该过程重复，直到最后该组的所有电容器C1至Cn有相同的电压为止。于是由此结束充电过程。
借助于监控电路DIAG来测量在电压比较器KOMP1的输出端上可测量的信号持续时间(＝充电持续时间)和在电压比较器KOMP2的输出端上可测量的信号持续时间(＝回扫变压器Tr0的放电持续时间)，并且与预先给定的上和下极限值比较。
如果所测量的持续时间在预先给定的极限值范围之内，则可以以双层电容器DLC和电荷平衡电路的完好的状态为出发点。以此方式可以简单地检测功能故障，譬如各个单个电容器的短路或者断路。
此外，附加地测量回扫变压器Tr0(图2d)的整流过的次级电压还允许检测单个电容器C1至Cn的最低电压，例如其方式是，在根据图2d的时间大小、即在电压上升以及起振过程以后约0.2μs至1.0μs内检测幅度。该值与单个电容器的当前最小的电压成比例。
将该值与预先给定的上和下极限值进行比较同样地使得能够说明双层电容器DLC的功能。
以此方式所检测的、双层电容器DLC的总体状态通过具有相应电平的状态信号ST在监控单元DIAG的输出端示出。该状态信号ST表示，双层电容器DLC是否无故障地工作或者是否应当找车间检查或者修理。
图4示出根据本发明的第二实施例的电路，除了以下情况外该电路与图1所示的电路基本上相同，即在所述电路中由线圈L1代替了回扫变压器Tr0，并且附加地增加了晶体管T2(例如PNP晶体管)和第三电阻R3。
在图1中回扫变压器Tr0所处的位置上，该电路具有线圈L1。该线圈L1的一个端子连接到正端子V+，而另一个端子一方面连接到开关晶体管T1的漏极端子而另一方面经由第一二极管D0和第三电阻R3连接作为电平转换器运行的晶体管T2的发射极端子，该晶体管T2的基极端子连接正端子V+，并且其集电极端子连接到第二电阻R2和电压比较器KOMP2的反相输入端。第一电容器C0一方面连接到第一二极管D0的阴极端子而另一方面连接正端子V+。
单个变压器Tr1至Trn的初级绕组通过以下方式连接到线圈L1，即相互连接的绕组始端与第一二极管D0和第三电阻R3的连接点连接，并且相互连接的绕组末端连接到正端子V+。
如前面所述的，其余的电路与图1的其余电路是相同的。在该实施例中，线圈(L1)与单个变压器的连接也通过双线总线线路实现。
对线圈L1的放电电压的测量在该电路的情况下必须参照正端子V+上的电压，这借助于作为电平转换器运行的PNP晶体管T2进行。
如果控制开关晶体管T1导通并且因此其漏极电压低，则第一二极管D0截止并且因此阻止沿截止方向从线圈L1经晶体管T2的基极-发射极二极管的电流流动。
因为此时晶体管T2的处于正端子V+的电位上的基极电压高于其发射极电压，所以晶体管T2截止并且在R2上或在电压比较器KOMP2的反相输入端上的电压为0伏特。
如果在开关晶体管T1变得不导通以后线圈L1上的电压阶跃超过在正端子V+上的电位，则第一二极管D0导通并且电流开始从线圈L1经第一二极管D0、第三电阻R3、晶体管T2和第二电阻R2流向负端子V-(基准电位)。
该电流在第二电阻R2上产生正电压，如在根据图1的实施例的情况下所说明的那样，该正电压大于基准电压Vref1，从而把电压比较器KOMP2的输出端切换到低电平，这最终通过“与”门UND2和UND1将开关晶体管T1切换成不导通的。
只有当线圈L1完全被放电时，其放电电压才下降到接近基准电位，接着流过第二电阻R2的电流消失并且如在根据图1的实施例的情况下所说明的那样，控制开关晶体管T1重新导通。
该电路的其余功能方式和用于运行该电路的方法与根据图1的实施例的情况相同，正如更上面所描述的。

Claims (10)

1.用于双层电容器(DLC)的串联电容器的电荷平衡的装置，所述装置具有被分配给每个电容器(C1至Cn)的每一个单个变压器(Tr1至Trn)，其中所述单个变压器的次级绕组经由单个二极管(D1至Dn)连接到所述电容器的正端子并且直接连接到负端子，并且所述装置具有电压比较器，
其特征在于，
设置有回扫变压器(Tr0)，所述回扫变压器(Tr0)的初级和次级绕组彼此反相地绕制，其中所述回扫变压器(Tr0)的初级绕组的绕组末端与双层电容器(DLC)的正端子(V+)相连接，并且绕组始端与开关晶体管(T1)的集电极或者漏极端子相连接，
该回扫变压器(Tr0)的次级绕组的绕组末端与双层电容器(DLC)的负端子(V-)直接连接，而绕组始端经由第一二极管(D0)和第二电阻(R2)的串联电路与双层电容器(DLC)的负端子(V-)相连接，
设置有第一电压比较器(KOMP1)，所述第一电压比较器(KOMP1)的反相输入端一方面连接到开关晶体管(T1)的发射极或者源极端子，而另一方面连接到第一电阻(R1)，所述第一电阻的另一个端子连接到双层电容器(DLC)的负端子(V-)，
设置有第一“与”门(UND1)，所述第一“与”门(UND1)的输出端连接到开关晶体管(T1)的基极或者栅极端子，并且向所述第一“与”门(UND1)的一个输入端输送外部的控制信号(EN)，
设置有第二“与”门(UND2)，所述第二“与”门(UND2)的输出端与第一“与”门UND1的另一个输入端相连接，并且所述第二“与”门(UND2)的一个输入端与第一电压比较器(KOMP1)的输出端相连接，
设置有第二电压比较器(KOMP2)，所述第二电压比较器(KOMP2)的反相输入端连接到第一二极管D0与第二电阻(R2)之间的连接点，
设置有第一基准电压(Vref1)，所述第一基准电压(Vref1)被施加到第一电压比较器(KOMP1)和第二电压比较器(KOMP2)的非反相输入端，
第二电压比较器(KOMP2)的输出端连接到第二“与”门(UND2)的另一个输入端，
设置有监控单元(DIAG)，所述监控单元(DIAG)的第一输入端连接到第一电压比较器(KOMP1)的输出端，所述监控单元(DIAG)的第二输入端连接到第二电压比较器(KOMP2)的输出端，所述监控单元(DIAG)的第三输入端连接第二电压比较器(KOMP2)的反相输入端，所述监控单元(DIAG)的第四输入端处于第二基准电压(Vref2)上，并且在所述监控单元(DIAG)的输出端上可以取得状态信号(ST)，
单个变压器(Tr1至Trn)是同相绕制的，其中每个单个变压器(Tr1至Trn)的次级绕组的绕组始端经由单个二极管(D1至Dn)连接到被分配给它的单个电容器的正端子(+C1至+Cn)，而每个单个变压器(Tr1至Trn)的次级绕组的绕组末端直接地与被分配给它的单个电容器(C1至Cn)的负端子相连接，
单个变压器(Tr1至Trn)的初级绕组并联连接，其中公共的绕组始端连接到第一二极管(D0)与第二电阻(R2)之间的连接点，并且公共的绕组末端连接到负端子(V-)并且连接到回扫变压器(Tr0)的次级绕组的绕组末端。
2.用于双层电容器(DLC)的串联电容器的电荷平衡的装置，所述装置具有被分配给每个电容器(C1至Cn)的每一个单个变压器(Tr1至Trn)，其中所述单个变压器的次级绕组经由单个二极管(D1至Dn)连接到电容器的正端子并且直接连接到负端子，并且所述装置具有电压比较器，
其特征在于，
设置有线圈(L1)，所述线圈(L1)的一个端子连接到双层电容器(DLC)的正端子(V+)而所述线圈(L1)的另一个端子一方面连接到开关晶体管(T1)的集电极或者漏极端子，
设置有PNP晶体管(T2)，所述PNP晶体管(T2)的基极端子连接到所述线圈(L1)的一个端子，所述PNP晶体管(T2)的发射极端子经由第三电阻R3和第一二极管D0连接到该线圈(L1)的另一个端子，所述PNP晶体管(T2)的集电极端子经由第二电阻连接到双层电容器(DLC)的负端子(V-)，
设置有第一电压比较器(KOMP1)，所述第一电压比较器(KOMP1)的反相输入端一方面连接到开关晶体管(T1)的发射极或者源极端子，而另一方面连接到第一电阻(R1)，所述第一电阻的另一个端子连接双层电容器(DLC)的负端子(V-)，
设置有第一“与”门(UND1)，所述第一“与”门(UND1)的输出端连接到开关晶体管(T1)的基极或者栅极端子，并且向所述第一“与”门(UND1)的一个输入端输送外部的控制信号(EN)，
设置有第二“与”门(UND2)，所述第二“与”门(UND2)的输出端与第一“与”门UND1的另一个输入端相连接，并且所述第二“与”门(UND2)的一个输入端与第一电压比较器(KOMP1)的输出端相连接，
设置有第二电压比较器(KOMP2)，所述第二电压比较器(KOMP2)的反相输入端连接到第二晶体管(T2)的集电极与第二电阻(R2)之间的连接点，
设置有第一基准电压(Vref1)，所述第一基准电压(Vref1)被施加到第一(KOMP1)和第二电压比较器(KOMP2)的非反相输入端，
第二电压比较器(KOMP2)的输出端连接到第二“与”门(UND2)的另一个输入端，
设置有监控单元(DIAG)，所述监控单元(DIAG)的第一输入端连接到第一电压比较器(KOMP1)的输出端，所述监控单元(DIAG)的第二输入端连接到第二电压比较器(KOMP2)的输出端，所述监控单元(DIAG)的第三输入端连接到第二电压比较器(KOMP2)的反相输入端，所述监控单元(DIAG)的第四输入端处于第二基准电压(Vref2)上，并且在所述监控单元(DIAG)的输出端上可以取得状态信号(ST)，
单个变压器(Tr1至Trn)是同相绕制的，其中每个单个变压器(Tr1至Trn)的次级绕组的绕组始端经由单个二极管(D1至Dn)连接到被分配给它的单个电容器(C1至Cn)的正端子，而每个单个变压器(Tr1至Trn)的次级绕组的绕组末端直接地与被分配给它的单个电容器(C1至Cn)的负端子相连接，
单个变压器(Tr1至Trn)的初级绕组并联连接，其中公共的绕组始端连接到第一二极管(D0)与第三电阻(R3)之间的连接点，并且其公共的绕组末端连接到双层电容器(DLC)的正端子(V+)并且连接到线圈(L1)的一个端子。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，单个变压器(Tr1至Trn)和单个二极管D1至Dn与单个电容器(C1至Cn)一起被布置在双层电容器(DLC)的壳体中。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，回扫变压器(Tr0)或者线圈(L1)与单个变压器的连接通过双线总线线路实现。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，设置有第一电容器(C0)，所述第一电容器(C0)一方面与第一二极管(D0)的阴极相连接，而另一方面与所述负端子(V-)相连接。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，设有第一电容器(C0)，所述第一电容器一方面与第一二极管(D0)的阴极连接，而另一方面与正端子(V+)连接。
7.用于运行如权利要求1或2所述的装置的方法，其特征在于，该运行自控地进行，其中只要存在外部的控制信号(EN)，并且只要回扫变压器(Tr0)的次级绕组上的或者线圈(L1)上的电压处在预先给定的值以下，就控制开关晶体管(T1)导通，如果流过回扫变压器(Tr0)的初级绕组或者线圈(L1)的电流达到预先给定的值，则控制开关晶体管(T1)不导通，并且只要回扫变压器(Tr0)次级绕组上的或者线圈(L1)上的电压超过预先给定的值或者不存在所述外部的控制信号(EN)，就保持该开关晶体管(T1)受控不导通。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在监控电路(DIAG)中将在电压比较器(KOMP1)的输出端上可测量的对应于充电持续时间的信号持续时间、和在电压比较器KOMP2的输出端上可测量的对应于回扫变压器(Tr0)或者线圈(L1)的放电持续时间的信号持续时间分别与上和下极限值进行比较，并且
只要所测量的值处在所述极限值之内，则就可以以双层电容器(DLC)和电荷平衡电路的完好的状态为出发点，
所述监控电路(DIAG)输出对应于该状态的状态信号(ST)。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在回扫变压器(Tr0)或者级圈(L1)的放电过程中在起振过程以后可测量的、整流过的放电电压的幅度与双层电容器(DLC)的单个电容器(C1至Cn)的当前最小的电压成比例。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在监控电路(DIAG)中将在起振过程以后可测量的、整流过的放电电压的幅度分别与上和下极限值进行比较，
只要该测量值处在所述极限值之内，则就可以以双层电容器(DLC)的完好的状态为出发点，并且
所述监控电路(DIAG)输出对应于该状态的状态信号(ST)。
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