DE10039407A1 - Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherelemente - Google Patents

Abstract

Es wird eine Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherelemente, insbesondere Kondensatoren, vorgeschlagen. Jedes Energiespeicherelement ist mit einer Bypass-Schaltung zum Begrenzen der Ladespannung versehen, welche eine vom Energiespeicherelement gespeiste, spannungsgesteuerte Stromquelle zum Generieren eines Bypass-Stroms enthält. Die Bypass-Schaltung nimmt also ab einem voreingestellten Wert für die Nennspannung einen zunehmenden Anteil des Ladestroms auf und schützt so das jeweilige Energiespeicherelement vor einer Überlastung. Die spannungsgesteuerte Stromquelle wird vorzugsweise durch einen Leistungstransistor realisiert, der ein MOSFET oder ein Bipolartransistor sein kann. Besonders vorteilhaft wird diese Symmetrierschaltung bei Energiespeichern eingesetzt, die eine Anzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektri­ sche Energiespeicherelemente, insbesondere Kondensatoren, mit je einer für je­ des Energiespeicherelement vorgesehenen Bypass-Schaltung zum Begrenzen der Ladespannung am jeweiligen Energiespeicherelement durch zumindest teilweise Umleitung des Ladestroms auf die Bypass-Schaltung, sowie einen Energiespei­ cher, insbesondere zur Stromausfallpufferung, mit einer Anzahl von in Reihe ge­ schalteten elektrischen Energiespeicherelementen und je einer Symmetrierschal­ tung für jedes Energiespeicherelement.

Elektrische Energiespeicherelemente, wie Kondensatoren, verfügen gemeinhin über einen begrenzten Energieinhalt, der nicht für alle Anwendungsfälle ausreicht. Es ist daher meist nötig, solche Energiespeicherelemente zu Speichermodulen zu­ sammenzuschalten. Um hierbei hohe Spannungswerte erreichen zu können - wie dies insbesondere bei einer Stromausfallpufferung für am Stromnetz betriebene Geräte unverzichtbar ist - müssen bei niedrigen Nennspannungswerten der Ein­ zelelemente eine Vielzahl von Energiespeicherelementen in Reihe geschaltet wer­ den.

Insbesondere beim Aufladen von in Reihe geschalteten elektrischen Energiespei­ cherelementen muss gewährleistet sein, dass kein einziges der Energiespeicher­ elemente spannungsmäßig überlastet wird. Sowohl bei Akkumulatoren als auch bei Kondensatoren kann die Gefahr einer Überlastung eines einzelnen Elements beim Aufladen bestehen, wenn dieser bereits auf die Nennspannung aufgeladen ist, während andere Elemente noch deutlich von der Nennspannung entfernt sind und deshalb noch weiter aufgeladen werden.

Besonders leistungsfähig, aber auch mit einer ungewöhnlich kleinen Nennspan­ nung versehen sind Doppelschichtkondensatoren, die kein elektrisch isolierendes Dielektrikum enthalten, sondern zwischen ihren beiden Elektroden einen Elektro­ lyten aufweisen: Die Speicherung der elektrischen Energie erfolgt hier durch La­ dungsverschiebung an den Grenzflächen zwischen den Elektroden und dem Elek­ trolyten. Hierdurch werden sehr große Kapazitätswerte erzielt, wobei gleichzeitig jedoch die zulässige Spannung auf wenige Volt, typischerweise etwa 2,7 V be­ schränkt ist, da es darüber zu irreversiblen Veränderung des Elektrolyten kom­ men kann. Die höchstzulässige, praktisch nutzbare Spannung an einem mit sol­ chen Kondensatoren in Reihenschaltung aufgebauten Speichermodul ist dadurch begrenzt, dass kein einzelner Kondensator sein zulässiges Spannungsmaximum überschreiten darf. Diese höchstzulässige Spannung liegt im allgemeinen deut­ lich unter der theoretischen Grenze von idealen Elementen. Dies ist deshalb be­ sonders nachteilig, weil sowohl die speicherbare Energie als auch die entnehm­ bare Maximalleistung quadratisch von der Modulspannung abhängen.

Um den Nenn-Energieinhalt eines jeden einzelnen Kondensators voll ausnutzen zu können, wird daher jeder Kondensator mit einer Symmetrierschaltung versehen, die erkennt, wenn die Klemmenspannung beim Laden, also die Ladespannung, den Nennwert übersteigt und dem weiteren Ansteigen der Ladespannung durch eine Bypass-Schaltung entgegenwirkt, welche den Ladestrom teilweise oder ganz am Kondensator vorbei führt. Die einfachste Maßnahme zur Symmetrierung der Span­ nungsaufteilung bei in Reihe geschalteten Kondensatoren besteht darin, den ein­ zelnen Elementen ohmsche Widerstände parallel zu schalten. Hiermit sind jedoch permanente Verluste verbunden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun­ de, eine Symmetrierschaltung der eingangs genannten Art zu verbessern, sowie einen damit ausgestatteten Energiespeicher zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe ist gelöst durch eine Symmetrierschaltung mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruchs 1 sowie durch einen Energiespeicher mit den Merk­ malen des beigefügten Patentanspruchs 8. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Aufladen eines mit einer erfindungsgemäßen Symmetrierschaltung versehe­ nen Energiespeicherelements findet sich im beigefügten Patentanspruch 7.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Symmetrierschaltung ergeben sich aus den An­ sprüchen 2 bis 6; vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energie­ speichers sind in den Ansprüchen 9 und 10 enthalten.

Die erfindungsgemäße Bypass-Schaltung enthält also statt eines ohmschen Wider­ stands eine vom Energiespeicherelement gespeiste, mit aktiven elektrischen Bau­ elementen realisierte, spannungsgesteuerte Stromquelle zum Generieren eines Bypass-Stroms. Aus der Sicht des jeweiligen Energiespeicherelements stellt sich die Bypass-Schaltung als spannungsgesteuerte Stromsenke dar, so dass bei ent­ sprechender Ansteuerung tatsächlich eine Spannungsbegrenzung stattfindet, und zwar nur oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes der Klemmenspannung, wo­ bei die Begrenzung vorteilhafterweise kontinuierlich einsetzt. Es ist ohne weiteres möglich, durch geeignete Dimensionierung der Schaltung einen linearen Zusam­ menhang zwischen dem Bypass-Strom und der unerwünschten Nenn-Überspan­ nung einzustellen. Unterhalb des Spannungsnennwerts bleibt die Bypass-Schal­ tung unwirksam und daher verlustfrei, wobei ein stetiger Übergang aus dem un­ wirksamen in den begrenzenden Bereich gegeben ist. Bei Bedarf ist auch ein ge­ wünschtes kontrolliertes Überfahren der Nennspannungsschwelle möglich.

Bevorzugt wird die spannungsgesteuerte Stromquelle im wesentlichen durch min­ destens einen Leistungstransistor, beispielsweise einen MOSFET oder einen Bi­ polartransistor gebildet. Dieser Leistungstransistor stellt dann anstatt eines ohm­ schen Widerstands die notwendige Verlustsenke dar. Er übernimmt also neben der Schaltfunktion für einen ohmschen Parallelwiderstand auch die Funktion des ohm­ schen Widerstands.

Der Vorteil des spannungsgesteuerten MOSFETs ist seine hohe Stromverstär­ kungseigenschaft; allerdings ist der Mindestwert für die notwendige Gate-Source- Spannung für Mindestladeströme im Ampère-Bereich, wie insbesondere für Dop­ pelschichtkondensatoren erwünscht, zu hoch. Je nach Einsatzfall braucht man deshalb für die Ansteuerung des MOSFETs ein separates Schaltnetzteil zum Hochsetzen der Steuerspannung.

Beim stromgesteuerten Bipolartransistor liegen die Verhältnisse umgekehrt: Die notwendige Basisspannung ist zwar vorteilhaft gering; der Basisstrom jedoch, der benötigt wird, um den Bipolartransistor hinreichend niederohmig aufsteuern zu können, kann problematisch sein. Um bei benötigten Bypass-Strömen von mehre­ ren Ampère eine hinreichende Stromverstärkung sicherstellen zu können, kann es beispielsweise notwendig werden, eine aus zwei oder mehreren Bipolartransisto­ ren bestehende Endstufe in Darlington-Schaltung aufzubauen.

Ein Leistungstransistor als Stromquelle kann dadurch spannungsgesteuert betrie­ ben werden, dass ein Operationsverstärker vorgesehen ist, an dessen ersten Ein­ gang eine Spannung anliegt, die der über dem Leistungstransistor liegenden Span­ nung entspricht, und dessem zweiten Eingang eine Referenzspannung aufge­ schaltet wird, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers zum Ansteuern des Leistungstransistors mit dessen Basis bzw. Gate verbunden ist. Der Operations­ verstärker kann hierbei in einem integrierten Schaltkreis enthalten sein, der außer­ dem noch eine Referenzspannungsquelle enthält. Je nach angebotener Referenz­ spannung kann der erste Eingang des Operationsverstärkers über einen von ohm­ schen Widerständen gebildeten Spannungsteiler parallel zu den Anschlussklem­ men des Leistungstransistors geschaltet werden.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die spannungsgesteuerte Stromquelle um ei­ nen digitalen Signalausgang erweitert wird. Dieser meldet, wenn ein Bypass-Strom fließt, woraus sich die Information ableiten lässt, ob das zugehörige Energiespei­ cherelement bereits die Schwellenspannung überschritten hat und damit - bei nicht zu hohen Ladeströmen - auf den Nennenergieinhalt aufgeladen ist.

Bevorzugt kann die Erkennung und Meldung eines fließenden Bypass-Stromes über einen Optokoppler ausgegeben werden. Dies führt zu einer potentialfreien Rück­ meldung des Ladezustands jedes einzelnen Energiespeicherelements und ermög­ licht somit eine einfache logische Verschaltung der Zustandssignale. Wird zum Beispiel die Aufladung eines Moduls mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeicherelementen so lange weitergeführt, bis jeder Optokoppler einen By­ pass-Strom meldet, wird der gesamte erzielbare Nenn-Speicherinhalt alter Energie­ speicherelemente zu 100% ausgenutzt.

Das Erkennen und Melden eines fließenden Bypass-Stromes über den digitalen Signalausgang der erfindungsgemäßen Symmetrierschaltung ermöglicht darüber hinaus ein besonders vorteilhaftes schnelles Aufladen des Energiespeicherele­ ments bzw. eines aus einer Anzahl von Energiespeicherelementen aufgebauten Energiespeichers, bei dem die digitalen Signalausgänge in einer ODER-Logik ver­ schaltet sind: Die Bypass-Schaltung ist naturgemäß nur für einen gewissen Maxi­ malwert eines Bypass-Stromes ausgelegt, so dass zunächst der Ladestrom für das mit der Symmetrierschaltung versehene elektrische Energiespeicherelement grundsätzlich nicht über diesem Maximalwert liegen darf, da beim Überschreiten der Nennspannung des Energiespeicherelements der gesamte Ladestrom durch die Bypass-Schaltung fließen soll. Insbesondere um ein schnelleres Aufladen des Energiespeicherelements zu ermöglichen, ist es jedoch in den meisten Fällen wün­ schenswert, einen sehr viel höheren Ladestrom vorzusehen. Dies ist mit dem be­ vorzugt vorhandenen digitalen Signalausgang in der Symmetrierschaltung möglich:
Sobald erkannt und gemeldet wird, dass ein Bypass-Strom zu fließen beginnt, kann der Ladestrom auf einen Wert abgesenkt werden, der eine Überlastung der Bypass-Schaltung ausschließt. Durch dieses besonders bevorzugte Ladeverfahren kann also, solange die Klemmenspannung des Energiespeicherelements nicht we­ sentlich über der Nennspannung liegt, auch mit sehr hohen Stromstärken aufgela­ den werden.

Ein Energiespeicher, der eine Anzahl von in Reihe geschalteten elektrischen Ener­ giespeicherelementen enthält und bevorzugt zur Stromausfallpufferung verwendet wird, kann also dann, wenn er mit erfindungsgemäßen Symmetrierschaltungen ausgestattet ist, einen sehr viel höheren Ausnutzungsgrad erzielen, als herkömmli­ che Energiespeicher. Wenn alle Symmetrierschaltungen eines solchen Energie­ speichers zur Erkennung und Meldung eines fließenden Bypass-Stroms mit einem Optokoppler versehen sind, deren Zustandssignale mit einer ODER-Logik und ei­ ner UND-Logik verschaltet sind, ergibt sich eine optimale Führung des Energie­ speichers: Sobald mindestens ein Optokoppler einen Bypass-Strom meldet (er­ kennbar über die ODER-Logik), liegt die Information vor, dass mindestens eines der Energiespeicherelemente seine Nennspannung überschritten hat. Sobald alle Optokoppler einen Bypass-Strom melden (erkennbar über die UND-Logik), ist klar, dass alle Energiespeicherelemente mindestens auf ihren Nenn-Energieinhalt auf­ geladen sind; der Ladevorgang kann dann beendet werden. Auch hier ist es zur Erzielung eines vorteilhaften "Schnelllade"-Effekts mit hohen Stromstärken, die die einzelnen Bypass-Schaltungen an sich überfordern würden, vorteilhaft, wenn Mittel zum Begrenzen oder Regeln des Ladestroms in Abhängigkeit von den Signalen der Optokoppler vorhanden sind; denn dann kann ein hoher Ladestrom heruntergere­ gelt werden, sobald mindestens eines der Energiespeicherelemente seine Nenn­ spannung überschritten hat und die zugehörige Bypass-Schaltung teilweise mit dem Ladestrom beaufschlagt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für eine erfindungsgemäße Symmetrierschaltung,

Fig. 2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 ein Diagramm eines Versuchsergebnisses und

Fig. 5 ein Diagramm eines weiteren Versuchsergebnisses zeigt.

Das Prinzipschaltbild in Fig. 1 zeigt beispielhaft die erfindungsgemäße Sym­ metrierung der Spannungsaufteilung einer Kondensatorreihenschaltung mit parallel geschalteten, spannungsgesteuerten Stromquellen 1, 2. Die beiden hier darge­ stellten, in Reihe geschalteten Kondensatoren sind durch jeweils einen idealen Kondensator C₁ und C₂, jeweils einen dazu parallel liegenden Entladewiderstand R_E,1 und R_E,2 sowie jeweils einen Vorwiderstand R_V,1 und R_V,2 modelliert. Die Spannung an jedem realen Kondensator ist dann durch u_A,1 bzw. u_A,2 gegeben. Parallel zum jeweiligen realen Kondensator ist je eine Bypass-Schaltung 3 bzw. 4 geschaltet. Diese Bypass-Schaltungen 3 und 4 bestehen jeweils prinzipiell aus ei­ ner Stromquelle 1 bzw. 2, die von einer parallel dazu geschalteten Spannungs­ messeinheit 5 bzw. 6 gemäß einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang mit der Spannung u_A,1 bzw. u_A,2 gesteuert wird. Der oberhalb einer voreingestellten Schwellenspannung fließende Strom i_Bypass reduziert die in die jeweiligen idealen Kondensatoren C₁ und C₂ fließenden Teilströme i_C1 und i_C2, wobei sich der Ge­ samtladestrom i_Reihe selbstverständlich nicht ändert. Hierdurch wird der Anstieg der Spannung u_i1 bzw. u_i2 an den idealen Kondensatoren C₁ und C₂ reduziert bzw. ge­ stoppt.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Realisierung einer erfindungsgemäßen spannungs­ gesteuerten Stromquelle mit einem als MOSFET ausgebildeten Leistungstransistor T. Dem (realen) Kondensator 7, der mit weiteren (nicht dargestellten) Kondensato­ ren in Reihe geschaltet ist, ist eine links von der durchbrochenen Linie gezeigte Bypass-Schaltung parallel geschaltet. Der Bypass-Strom i_Bypass wird über einen Messwiderstand R_Mess geleitet, an dem das Fließen eines Bypass-Stroms i_Bypass detektiert werden kann. Das Kernstück der Bypass-Schaltung ist der als MOSFET ausgestaltete Leistungstransistor T, über dessen Drain-Source-Strecke die Span­ nung u_T abfällt. Im Bypass-Betrieb wird die Spannung u_T auf die Kondensatornenn­ spannung geregelt, wodurch der Bypass-Strom i_Bypass proportional zur Spannungs­ differenz (u_A-u_T) ansteigt. Die wiederum zum Leistungstransistor T parallel ge­ schalteten ohmschen Widerstände R₁ und R₂ führen die herabgeteilte Spannung u_T auf einen Operationsverstärker OPV. Der Operationsverstärker OPV steuert mit seinem Ausgang das Gate des Leistungstransistors T, und zwar abhängig von der Differenz zwischen der an seinem positiven Eingang anliegenden, herabgeteilten Spannung u_T und einer an seinem negativen Eingang anliegenden Referenzspan­ nung U_Ref. Um die Drain-Source-Strecke des MOSFETs hinreichend niederohmig aufsteuern zu können, muss der ansteuernde Operationsverstärker OPV eine Min­ destspannung von typischerweise 5 V liefern können. Hierfür muss insbesondere dann, wenn es sich beim Kondensator 7 um einen Doppelschichtkondensator mit einer typischen Maximalspannung von 2,7 V handelt, ein Schaltnetzteil 8 zur Spannungserhöhung der OPV-Versorgung vorhanden sein.

Das in Fig. 3 gezeigte Prinzipschaltbild unterscheidet sich im wesentlichen von dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer spannungsgesteuerten Strom­ quelle durch die Ausgestaltung des Leistungstransistors T: Der hier verwendete Leistungstransistor T besteht aus zwei Bipolartransistoren, die als Darlington- Endstufe verschaltet sind. Die Darlington-Schaltung ist insbesondere dann not­ wendig, wenn Bypassströme i_Bypass von mehreren Ampere fließen sollen. Zum An­ steuern der Bipolartransistoren in Darlington-Schaltung sind primär die zwei Basis- Emitter-Spannungen zu überwinden, so dass der hier wiederum für die Regelung benötigte Operationsverstärker OPV kein separates Schaltnetzteil zur Spannungs­ erhöhung braucht, sondern mit der über dem Leistungstransistor T liegenden Spannung u_T versorgt werden kann. Die restlichen Elemente der hier gezeigten Schaltung sind gegenüber der Prinzipschaltung aus Fig. 2 unverändert, so dass im übrigen auf die Beschreibung der Fig. 2 verwiesen werden kann.

Fig. 4 zeigt ein Versuchsergebnis, bei dem ein mit einer Bypassschaltung gemäß Fig. 3 versehener Doppelschichtkondensator mit einem Ladestrom von 5 Ampere aufgeladen wird. Im Unterschied zu dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau besteht der Leistungstransistor der Bypass-Schaltung allerdings aus drei als Darlington-End­ stufe verschalteten pnp-Transistoren. Aufgetragen über der Zeit ist der Verlauf der Kondensatorklemmenspannung u_A, des Bypass-Stroms i_Bypass sowie der Spannung an der Basis der Darlington-Konfiguration u_B,Darlington. Man erkennt, wie ab u_A = 2,3 V der zunächst lineare Anstieg der Spannung u_A zunehmend abgebremst wird, weil ein immer größerer Teil des Ladestromes auf die Bypass-Schaltung umgeleitet wird. Wenn der komplette Ladestrom über die Bypass-Schaltung fließt, bleibt die Kondensatorspannung u_A auf ihrem momentanen Wert von hier ca. u_A = 2,7 V ste­ hen. Nach dem Abschalten des Ladestromes an der Stelle t = 100 s setzt über die Bypass-Schaltung die Entladung des Kondensators ein, welche so lange andauert, bis sich die Kondensatorspannung wieder auf u_A = 2,3 V reduziert hat. Am dritten Kurvenverlauf in Fig. 4 kann man erkennen, dass die Ansteuerspannung u_B,Darlington an der Basis der Darlington-Konfiguration von der positiven Aussteuer­ grenze auf einen hinreichend kleinen Wert springen muss, um den Darlington auf­ zusteuern. Wegen des ca. 1,8 V hohen Spannungssprunges von u_B,Darlington beim Übergang in den Bypass-Betrieb kann durch ein den Basis-Emitter-Strecken pa­ rallel geschalteten Optokoppler sehr einfach, exakt und potentialgetrennt der By­ pass-Zustand abgefragt werden.

Anhand eines weiteren Versuchsergebnisses, das in Fig. 5 dargestellt ist, wird beispielhaft die spannungssymmetrierende Wirkung der erfindungsgemäßen Sym­ metrierschaltung veranschaulicht. Es wurden zwei Kondensatoren C₁ und C₂ mit unterschiedlichen Kapazitäten (C₂ = 2 C₁) in Reihe geschaltet und mit einem Lade­ strom von 5A aufgeladen. Um die symmetrierende Wirkung gleichzeitig auch bei unterschiedlichen Anfangsspannungen zu demonstrieren, wurde letztere beim ersten Kondensator merklich höher gewählt als beim zweiten Kondensator. Da sich der erste Kondensator wegen der kleineren Kapazität C₁ aber sowieso schneller auflud, überschritt er umso früher die Spannungsschwelle von u_A = 2,3 V, als der zweite Kondensator. Entsprechend früher wurde bei ihm die Bypass-Schaltung ak­ tiv und begrenzte die Klemmenspannung u_A(C1) auf zulässige Werte. Der Lade- Strom i_Lade wurde abgeschaltet, kurz nachdem auch die Spannung u_A(C2) am zweiten Kondensator den erwünschten Nennwert u_A = 2,3 V überschritten hatte. Man erkennt, dass durch die Wirkung der spannungsgesteuerten Stromquellen nach dem Abschalten des Ladestroms i_Lade der Kondensator mit der höheren Spannung deutlich schneller entladen wird, und dadurch die beiden Kondensator­ spannungen nach recht kurzer Zeit in einen praktisch identischen Spannungsver­ lauf übergehen.

Die größten Vorteile der erfindungsgemäßen Symmetrierschaltung entfalten sich bei Energiespeichern mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Doppelschicht­ kondensatoren. Mit Rücksicht auf die herstellerseitig angegebenen Kapazitätstole­ ranzen könnte ein solcher Energiespeicher ohne Symmetrierschaltung nur so be­ trieben werden, dass jeder Teilkondensator im Mittel nur noch mit etwas mehr als der halben Nennspannung ausgenutzt werden kann, um im stationären Betrieb des Energiespeichers die spannungsmäßige Überlastung einzelner Elemente sicher auszuschließen: Ausgehend vom vollständig entladenen Zustand könnten beson­ ders niederkapazitive Teilkondensatoren bereits die Nennspannung erreichen, wenn besonders hochkapazitive Teilkondensatoren erst auf ca. 55% der Nenn­ spannung aufgeladen wären.

Beim Lade-Entlade-Betrieb eines Energiespeichers mit in Reihe geschalteten Energiespeicherelementen erfolgt durch die erfindungsgemäße Symmetrierschaltung schließlich ein regelmäßiges Nachsymmetrieren: Durch eine initialisierende sym­ metrische Vollladung aller Teilkondensatoren auf den Nennspannungswert fallen die Teilkondensatorspannungen bei einer Entladung umgekehrt proportional zu ihren jeweiligen Kapazitäten ab. Die Bypass-Schaltungen bleiben dabei ohne Ein­ fluss, da sie unterhalb der Nennspannung nicht wirksam sind. Bei einer Wieder­ aufladung steigen die Teilspannungen der Teilkondensatoren umgekehrt proportio­ nal zu ihrer Kapazität an und treffen sich nur im Idealfall wieder exakt beim Nenn­ spannungswert. Wenn bei jedem Wiederaufladen für ein "Überfahren" der Nenn­ spannung gesorgt wird, wird durch die spannungsgesteuerte Zu- und Abschaltung der erfindungsgemäßen Bypass-Schaltungen automatisch eine Nachsymmetrierung durchgeführt. Da dieses Verhalten unabhängig von Verlauf und Höhe des Lade­ stromes ist, kann also insgesamt auch mit deutlich höheren Strömen als bisher geladen werden, ohne je einen Teilkondensator spannungsmäßig zu gefährden.

Claims (10)

1. Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherele­ mente, insbesondere Kondensatoren, mit je einer für jedes Energiespeicherele­ ment vorgesehenen Bypass-Schaltung (3, 4) zum Begrenzen der Ladespannung (u_A) oder des Ladespannungsanstiegs am jeweiligen Energiespeicherelement durch zumindest teilweise Umleitung des Ladestroms (i_Lade) auf die Bypass- Schaltung (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Schaltung (3, 4) eine vom Energiespeicherelement gespeiste, spannungsgesteuerte Stromquelle (1, 2) zum Generieren eines Bypass-Stroms (i_Bypass) enthält.

2. Symmetrierschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsgesteuerte Stromquelle (1, 2) im wesentlichen durch mindes­ tens einen Leistungstransistor (T) gebildet ist.

3. Symmetrierschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor (T) ein MOSFET oder ein Bipolartransistor ist.

4. Symmetrierschaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Operationsverstärker (OPV) vorgesehen ist, an dessen ersten Eingang (+) eine Spannung anliegt, die der über dem Leistungstransistor (T) liegenden Spannung (u_T) entspricht, und dessem zweiten Eingang (-) eine Referenzspan­ nung (U_Ref) aufgeschaltet ist, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers (OPV) zum Ansteuern des Leistungstransistors (T) mit dessen Basis oder Gate verbunden ist.

5. Symmetrierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung und Meldung eines Bypass-Stromes (i_Bypass) ein digitaler Sig­ nalausgang, insbesondere ein Optokoppler vorgesehen ist.

6. Symmetrierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherelemente Doppelschichtkondensatoren sind.

7. Verfahren zum Aufladen eines elektrischen Energiespeicherelements mit einer Symmetrierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Energiespeicherelement mit einem Ladestrom beaufschlagt wird, dessen Stromstärke über dem Wert liegt, für den die Bypass-Schaltung ausgelegt ist, und
dass der Ladestrom auf oder unter diesen Wert abgesenkt wird, sobald Strom durch die Bypass-Schaltung fließt.

8. Energiespeicher, insbesondere zur Stromausfallpufferung, mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten elektrischen Energiespeicherelementen und je einer Sym­ metrierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für jedes Energiespeicherele­ ment.

9. Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Symmetrierschaltungen zur Erkennung und Meldung eines fließenden Bypass-Stromes (i_Bypass) mit je einem Optokoppler versehen sind, wobei die Opto­ koppler mit einer ODER-Logik sowie einer UND-Logik verschaltet sind.

10. Energiespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Begrenzen oder Regeln des Ladestroms (i_Lade) in Abhängigkeit von den Signalen der Optokoppler vorhanden sind.