DE102008048382A1

DE102008048382A1 - Symmetrierschaltung zur Spannungssymmetrierung

Info

Publication number: DE102008048382A1
Application number: DE102008048382A
Authority: DE
Inventors: Werner Knoll
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-04-01

Abstract

Für eine Symmetrierschaltung zur Spannnungssymmetrierung von in Reihe geschalteten kapazitiven Speicherzellen (6), insbesondere in Form von Doppelschicht-Kondensatoren, wird eine Entladeschaltung (20) mit nachgeordneter Diagnoseschaltung (21) vorgesehen. Über die Diagnoseschaltung (21) wird die Schaltstellung eines Schaltelementes (30) der Entladeschaltung (20) dadurch auf Übereinstimmung mit einem dieser Schaltstellung entsprechenden Steuersignal (29) überprüft, dass dieses Steuersignal (29) mit einem der Schaltstellung des Schaltelementes (30) entsprechenden Rücklesesignal (34) verglichen wird. Mangelnde Übereinstimmung wird als Zeichen einer Fehlfunktion der Symmetrierschaltung ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Symmetrierschaltung zur Spannungssymmetrierung von in Reihe geschalteten kapazitiven Speicherzellen eines Energie-Speicherpaketes, insbesondere für Starteinrichtungen von Brennkraftmaschinen.
Symmetrierschaltungen in Systemen zur Speicherung von elektrischer Energie mittels kapazitiver Speicherzellen sind beispielsweise aus der WO 2007/012315 A2 , der EP 1 247 979 A2 oder der EP 1 283 580 A2 bekannt. Grundsätzlich besteht bei aus kapazitiven Speicherzellen aufgebauten Energie-Speicherpaketen das Problem, dass die Speicherzellen, wenn sie zu hoch aufgeladen werden, geschädigt und gegebenenfalls auch zerstört werden. Entsprechend der mit einer Überladung verbundenen Überhitzung der Speicherzellen kann es auch zu einer Gasentwicklung kommen, die eine Verpuffung und in der Folge gegebenenfalls auch einen Brand nach sich zieht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Symmetrierschaltung zur Spannungssymmetrierung solcher in Reihe geschalteter kapazitiver Speicherzellen eines Speicherpaketes gegen derartige durch Überladung bedingte Versagungsfälle abzusichern.
Erreicht wird dies mit den Merkmalen des Anspruches 1, basierend auf dem Grundgedanken, über eine redundante Sicherheitsschaltung eine Entladung der jeweiligen Speicherzelle für den Fall auszulösen, dass die softwaregestützte Spannungssym metrierung ausfällt, die über eine übergeordnete Steuereinheit, so beim Einsatz der Symmetrierschaltung für eine Starteinrichtung einer Brennkraftmaschine, zum Beispiel über das Steuergerät der Brennkraftmaschine gesteuert wird. Fällt die softwaregestützte Spannungssymmetrierung aus oder arbeitet diese fehlerhaft, und wird insbesondere ein oberer Schwellenwert für die Zellenspannung überschritten, so wird eine Entladeschaltung aktiviert, die mit einem von der Software der Spannungssymmetrierung unabhängigen Schaltelement arbeitet. Überwacht wird das so aufgebaute Steuer- und Überwachungssystem über die Diagnoseschaltung, die von der Software des Steuer- und Überwachungssystems unabhängig arbeitet und somit eine redundante Überwachung desselben einschließlich der Entladeschaltung und deren Schaltelementes ermöglicht.
Es werden somit bei der erfindungsgemäßen Lösung parameterabhängig eine Betriebsspannung für die Speicherzellen des Speicherpaketes vorgegeben, die unterhalb einer für die Speicherzellen gegebenen maximalen Zellenspannung liegt, wobei diese maximale Zellenspannung einen ersten Schwellenwert und die parameterabhängig jeweils ermittelte und vorgegebene Betriebsspannung einen zweiten Schwellenwert bildet. Schwellwertabhängig ausgelöste Signale werden verordert, also über ein Oder-Glied in ein Stellsignal für das Schaltelement der Entladeschaltung umgesetzt. Dieses Stellsignal wird auch einer eigenständigen Diagnoseschaltung zugeführt, und es wird über die Diagnoseschaltung überprüft, ob das Schaltelement eine diesem Stellsignal entsprechende Schaltstellung einnimmt. Diese Überprüfung erfolgt mithilfe eines einer jeweiligen Schaltstellung des Schaltelementes entsprechenden Rücklesesignals. Ergibt sich keine Übereinstimmung zwischen Stellsignal und Rücklesesignal, so ist dies ein Hinweis darauf, dass das Schaltelement defekt ist und es wird über die Diagnoseschaltung der Ladestrom abgeschaltet.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich ein insgesamt einfacher Aufbau der Symmetrierschaltung aus bewährten Bauelementen, wie aus den Unteransprüchen zu entnehmen, wobei als Speicherzellen insbesondere Doppelschicht-Kondensatoren in Einsatz kommen.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 in schematisierter Darstellung eine Starteinrichtung für Brennkraftmaschinen, bei der in Reihe geschaltete kapazitive Speicherzellen zu einem die Funktion einer Starterbatterie übernehmenden Speicherpaket zusammengeschaltet sind,
2 eine Schemadarstellung einer in 1 für eine Speicherzelle angedeuteten Symmetrierschaltung.
Mit 1 ist die Starteinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine großvolumige, stationär in Großfahrzeugen, wie Lokomotiven und dergleichen Fahrzeugen eingesetzte Brennkraftmaschine 2 im Schema veranschaulicht, wobei als Versorgungseinheit – und Langzeitspeicher – eine Batterie 3 vorgesehen ist, von der über einen DC/DC-Wandler als Ladegerät 4 ein nachgeordneter Kurzzeitspeicher 5 versorgt wird, der aus in Reihe geschalteten kapazitiven Speicherzellen 6 aufgebaute Speicherpakete 7, 8 umfasst, die ihrerseits parallel zueinander im vom Ladegerät 4 gespeisten Versorgungsstromkreis 36 für einen Verbraucher, hier den Anlasser 9 der Brennkraftmaschine 2 liegen.
Die kapazitiven Speicherzellen 6 sind bevorzugt durch Doppelschicht- oder Faraday'sche Kondensatoren gebildet, wie sie als „Ultracaps”, „Supercaps” oder auch „Goldcaps” mit hoher spezifischer Speicherkapazität im Markt erhältlich sind und die eine hohe Leistungsdichte bei Entladezeiten im Sekundenbereich aufweisen.
Die maximale Zellenspannung solcher Speicherzellen 6 liegt im Bereich von etwa 3 V und durch deren Hintereinander-Schaltung lassen sich Speicherpakete 7, 8 aufbauen, die für den Anlasserbetrieb erforderliche Betriebsspannungen erreichen, wobei ein durch die jeweilige Reihenschaltung bedingter Abfall der Gesamtkapazität eines Speicherpaketes durch die Parallelschaltung solcher Speicherpakete 7, 8 wieder ausgeglichen wird.
Zu den Eigenarten solcher in Reihenschaltungen zu Speicherpaketen 7, 8 zusammengefassten kapazitiven Speicherzellen 6, insbesondere Doppelschichtkondensatoren zählt es, dass es zu unsymmetrischen, somit ungleichen Ladungszuständen für die einzelnen Zellen 6 kommen kann, was neben anderen Faktoren oder Parametern, wie beispielsweise der Höhe der Zellentemperatur, der Alterung der Zelle oder der jeweiligen Lade-Betriebsart, die Lebensdauer der Speicherzellen 6 und damit auch die Lebensdauer der Speicherpakete 7, 8 beeinträchtigen kann.
Dem wird für die einzelnen Speicherzellen 6 durch eine Symmetrierschaltung 10 begegnet, wie sie in 1 für eine Speicherzelle 6 im Schema angedeutet ist und wie sie in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung anhand der 2 erläutert wird.
In Berücksichtigung der einer jeweiligen Betriebsart entsprechenden Gegebenheiten, insbesondere der bereits angesprochenen Parameter, wird variabel eine jeweilige Betriebsspannung über eine übergeordnete Steuereinheit 11 vorgegeben, die über einen Canbus 12, wie in 1 veranschaulicht, mit dem Ladegerät 4 und auch den Symmetrierschaltungen 10 der einzelnen Steuerzellen 6 verbunden ist, sowie auch mit der Steuerschaltung 13 des Anlassers 9 in Verbindung steht, die ihrerseits bevorzugt auch an die Steuerung der Brennkraftmaschine angeschlossen oder in diese integriert ist.
Ausgehend von der Versorgungseinheit, die in 1 durch die Batterie 3 symbolisiert ist, wird ein durch einen Pfeil symbolisierter Ladestrom 14 einer Speicherzelle 6 zugeführt und es wird in der Speicherzelle 6, symbolisiert durch einander gegenüberliegende Kondensatorplatten 15, 16, eine jeweilige durch einen Pfeil symbolisierte Zellenspannung 17 aufgebaut.
Diese Zellenspannung 17 wird über die Symmetrierschaltung 10, in Berücksichtigung der Vorgaben der übergeordneten Steuereinheit 11, in ihrer Höhe an die durch die Steuereinheit 11 vorgegebene, variable Betriebsspannung angepasst. Die Symmetrierschaltung 10 umfasst hierzu, symbolisch in Blöcken abgegrenzt dargestellt, eine Betriebssymmetrierungs-Schaltung 18, eine Sicherheitssymmetrierungs-Schaltung 19, eine Entladeschaltung 20 und eine Diagnoseschaltung 21, über die letztlich die Funktion der jeweiligen Symmetrierschaltung 10 insgesamt überwacht wird.
Die Betriebssymmetriereinrichtung 18 umfasst eine Spannungserfassungseinrichtung 22 und eine insbesondere durch einen Mikrocontroller gebildete Recheneinheit 23, in der der über die Spannungserfassungseinrichtung 22 erfasste Spannungswert, nämlich die Zellenspannung 17 daraufhin überprüft wird, ob der über die übergeordnete Steuereinheit 11 via Canbus 12 vorgegebene Wert der Betriebsspannung überschritten wird, der einen zweiten variablen Schwellenwert bildet. Ist dies der Fall, so wird ein Steuersignal 24 abgegeben.
Auch die Sicherheitssymmetrierschaltung 19 weist eine die Zellenspannung 17 abgreifende Spannungserfassungseinrichtung 25 auf. Dieser ist ein Spannungskomperator 26 zugeordnet, in dem überprüft wird, ob die Zellenspannung 17 unterhalb der maximal zulässigen, als Festwert vorgegebenen und einen ersten Schwellenwert bildenden Zellenspannung liegt, die bezogen auf die hier verwendeten, durch Doppelschicht-Kondensatoren gebildeten Speicherzellen 6 mit 2,7 V festgelegt ist. Wird dieser Schwellenwert überschritten, so wird ein Steuersignal 27 abgesetzt.
Ergeben sich Überschreitungen des ersten Schwellenwertes oder des zweiten Schwellenwertes, so tritt die Entladeschaltung 20 in Funktion, über die die Zellenspannung 17, ausgelöst bei Überschreiten des jeweiligen Schwellenwertes, abgebaut wird. Die entsprechenden Steuerbefehle laufen als Steuersignale 24 bzw. 27 über ein Oder-Glied 28, über dessen durch einen Pfeil symbolisiertes Ausgangssignal 29 ein Schaltelement 30 der Entladeschaltung 20 angesprochen wird.
Dieses Schaltelement 30 ist bevorzugt als elektronisches Schaltelement ausgebildet, insbesondere als elektronischer Leistungsschalter etwa in Form eines Bipolar- oder Feldeffekt-Leistungstransistors. Nachgeordnet zum Schaltelement 30 ist ein Entladewiderstand 31 angeordnet, der wie das Schaltelement 30 im Entladestromkreis 32 liegt, der überbrückend zur jeweiligen Speicherzelle 6 an die Versorgungsleitung 33 angeschlossen ist, die ihrerseits aus dem Versorgungsstromkreis 36 gespeist ist.
Das jeweils die Schaltstellung bestimmende, durch einen Pfeil symbolisierte Ausgangssignal 29 beaufschlagt nicht nur das Schaltelement 30, sondern wird auch der Diagnoseeinheit 21 zugeführt und dort mit einem der jeweiligen Schaltstellung des Schaltelementes 30 entsprechenden, durch einen Pfeil symbolisierten Rücklesesignal 34 über eine Auswerteeinheit 37 verglichen. Stimmen das Rücklesesignal 34 und das Ausgangssignal 29 überein, so entspricht die Schaltstellung den durch die Symmetrierschaltung 10 gesetzten Vorgaben. Liegt keine Übereinstimmung zwischen dem Auslösesignal 29 und dem Rücklesesignal 34 vor, so sind entweder die vorgenannten Symmetrierungsschaltungen oder das Schaltelement 30 der Entladeschaltung 20 defekt und es wird über die Diagnoseschaltung 21 die Fehlfunktion erkannt und ein entsprechendes Fehlersignal 35 ausgegeben. Über dieses kann beispielsweise lediglich eine entsprechende Signalisierung, etwa in Form eines optischen oder akustischen Alarmes erfolgen, oder auch durch Trennung der Verbindung zur Versorgungseinheit – veranschaulicht über die Batterie 3 – der Ladestrom 14 abgeschaltet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist somit eine redundante Überwachung der über eine übergeordnete Steuereinheit 11 softwaregestützt parameterabhängig arbeitenden Betriebssymmetrierungs-Schaltung 18 und der Sicherheitssymmetrieungs-Schaltung 19 gegeben, sowie auch der über diese bei Überschreiten kritischer Schwellenwerte angesprochenen Entladeschaltung 20. Für ein so aufgebautes Steuer- und Überwachungssystem ist die redundante Überwachung durch die Diagnoseschaltung 21 geschaffen, die von der Software des Steuer- und Überwachungssystems unabhängig arbeitet und somit eine Überwachung dieses Systems einschließlich der Entladeschal tung 20 und deren Schaltelementes 30 ermöglicht sowie Fehler in diesem System signalisiert, gegebenenfalls auch den Ladestrom für das Energiespeichersystem abschaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/012315 A2 [0002]
- EP 1247979 A2 [0002]
- EP 1283580 A2 [0002]

Claims

Symmetrierschaltung zur Spannungssymmetrierung von in Reihe geschalteten kapazitiven Speicherzellen (6) eines Energie-Speicherpaketes (7, 8), insbesondere für Starteinrichtungen von Brennkraftmaschinen (2), bei der für die Speicherzellen (6) des Speicherpaketes (7, 8) als ein erster Schwellenwert eine maximal zulässige Zellenspannung festgelegt ist und als ein zweiter Schwellenwert eine unterhalb dieser maximalen Zellenspannung liegende parameterabhängig variable maximale Betriebsspannung vorgegeben wird, und bei dem, bezogen auf die einzelnen Speicherzellen (6), jeweils bei Überschreiten des ersten oder des zweiten Schwellenwertes ein Steuersignal (29) an ein Schaltelement (30) einer Entladeschaltung (20) gegeben und über eine Diagnoseschaltung (21) die diesem Steuersignal (29) entsprechende Schaltstellung des Schaltelementes (30) dadurch überprüft wird, dass das Steuersignal (29) mit einem Rücklesesignal (34) des Schaltelementes (30) verglichen und bei fehlender Übereinstimmung als Defekt der Symmetrierschaltung (10) signalisiert wird.
Symmetrierschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die parameterabhängige, maximale Betriebsspannung für die Speicherzellen (6) des Speicherpaketes (7, 8) über eine gemeinsame, übergeordnete Steuereinheit (11) in Abhängigkeit insbesondere von der Temperatur der Speicherzellen (6), dem Alterungszustand der Speicherzellen (6), der Ladebetriebsart für die Speicherzellen (6) und/oder der Betriebstemperatur eines über das Speicherpaket (7, 8) versorgten Verbrauchers festgelegt wird.
Symmetrierschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrierschaltung (10) für jede der Speicherzellen (6) eine Betriebssymmetrierungs-Schaltung (18) mit jeweils einer Spannungserfassungseinrichtung (22) und einer Recheneinheit (23) umfasst, über die bei Überschreiten des durch die übergeordnete Steuereinheit (11) bestimmten zweiten Schwellenwertes eine Entladeschaltung (20) angesteuert wird.
Symmetrierschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrierschaltung (10) für jede der Speicherzellen (6) eine die maximal zulässige Zellenspannung überwachende Sicherheitssymmetrierungs-Schaltung (19) aufweist, in der die erfasste Betriebsspannung auf Überschreiten der maximal zulässigen Zellenspannung als erstem Schwellenwert überprüft wird und über die bei Überschreiten dieses Schwellenwertes die Entladeschaltung (20) angesteuert wird.
Symmetrierschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitssymmetrierungs-Schaltung (19) eine Spannungserfassungseinrichtung (25) und einen Spannungskomperator (26) aufweist.
Symmetrierschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (20) ein Schaltelement (30) mit nachgeordnetem Entladewiderstand (31) aufweist und dass das Schaltelement (30) über eine Oder-Schaltung (Oder-Glied 28) bei Überschreiten des ersten oder des zweiten Schwellenwertes über die Sicherheitssymmetrierungs-Schaltung (19) oder die Betriebssymmetrierungs-Schaltung (18) angesteuert wird.
Symmetrierschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (30) der Entladeschaltung (20) durch einen elektronischen Leistungsschalter, insbesondere einen Bipolar- oder Feldeffekt-Leistungstransistor gebildet ist, dessen Schaltstellung über die Diagnoseschaltung (21) überwacht wird.
Symmetrierschaltung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseschaltung (21) eine zu den Symmetrierschaltungen (18, 19) und der Entladeschaltung (20) redundante Überwachungsschaltung bildet und bei erkanntem Defekt der Symmetrierschaltung (18, 19) und/oder der Entladeschaltung (20) Alarm auslöst und/oder den Ladestrom abschaltet.
Symmetrierschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Speicherzellen (6) Doppelschicht-Kondensatoren vorgesehen sind.