DE102008057573A1

DE102008057573A1 - Kondensatoranordnung

Info

Publication number: DE102008057573A1
Application number: DE102008057573A
Authority: DE
Inventors: Georg Goetz; Werner Oberhauser; Juergen Dr. Gebert
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-11-15
Filing date: 2008-11-15
Publication date: 2010-05-20

Abstract

Eine Kondensatoranordnung mit einer Reihenschaltung aus mindestens einer ersten und einer zweiten Kondensatorzelle, bei welcher zu jeder Kondensatorzelle ein Spannungsbegrenzungselement parallel geschaltet ist, durch welches die Spannung an der jeweiligen Kondensatorzelle auf eine Referenzspannung begrenzt wird, umfasst Schaltelemente und eine Auswerteschaltung, die ein Ausgangssignal bereitstellt; jeder der in Reihenschaltung verbundenen Kondensatorzellen ist ein Schaltelement zugeordnet, welches einen Schalter umfasst, der beim Erreichen der Referenzspannung geschlossen wird, die Schalter sind ihrerseits in einer Reihenschaltung zu einer Schalterserie verbunden und die Auswerteschaltung überwacht eine an der Schalterserie anliegende Spannung und gibt ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem Wert der Spannung aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung mit einer Reihenschaltung aus mindestens einer ersten und einer zweiten Kondensatorzelle, bei welcher zu jeder Kondensatorzelle ein Spannungsbegrenzungselement parallel geschaltet ist, durch welches die Spannung an der jeweiligen Kondensatorzelle auf eine Referenzspannung begrenzt wird.
Um höhere Spannungswerte zu erreichen, werden in kondensatorbasierten Energiespeichern üblicherweise einzelne Speicherzellen (z. B. Li-Ion, Doppelschichtkondensatoren) in Reihenschaltung miteinander verbunden. Die einzelnen Spannungswerte der Speicherzellen werden dadurch addiert.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Symmetrierschaltungen für derart in Reihe geschaltete Speicherzellen bekannt. Durch die Verwendung von Symmetrierschaltungen werden Spannungsunterschiede zwischen den einzelnen Speicherzellen vermieden bzw. ausgeglichen.
Eine Kondensatoranordnung der eingangs genannten Gattung ist beispielsweise bekannt aus der DE 100 21 315 A1 . Um den Zustand vollständiger Aufladung sämtlicher Kondensatorzelle auf die jeweilige Referenzspannung zu detektieren ist gemäß dem Stand der Technik jedoch ein sehr hoher Mess- und Verkabelungsaufwand erforderlich.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine einfache Lösung zur Detektion des Zustands vollständiger Aufladung sämtlicher Kondensatorzellen bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung mit einer Reihenschaltung aus mindestens einer ersten und einer zweiten Kondensatorzelle, bei welcher zu jeder Kondensatorzelle ein Spannungsbegrenzungselement parallel geschaltet ist, durch welches die Spannung an der jeweiligen Kondensatorzelle auf eine Referenzspannung begrenzt wird, umfasst zumindest ein erstes und ein zweites Schaltelement und eine Auswerteschaltung, die ein Ausgangssignal bereitstellt. Jeder der in Reihenschaltung verbundenen Kondensatorzellen ist eines der Schaltelemente zugeordnet. Jedes Schaltelement umfasst einen Schalter, der beim Erreichen der Referenzspannung geschlossen wird. Die Schalter sind ihrerseits in einer Reihenschaltung zu einer Schalterserie verbunden. Die Auswerteschaltung überwacht eine an der Schalterserie anliegende Spannung und gibt ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem Wert der Spannung aus.
Sind alle in Reihe geschalteten Schalter geschlossen, fällt der elektrische Widerstand der Schalterserie stark ab. Durch Überwachung der an der Schalterserie anliegenden Spannung wird ein entsprechender Spannungsabfall bemerkbar. Das Ausgangssignal zeigt diesen Spannungsabfall an und kann somit zur Anzeige des Zustands vollständiger Aufladung sämtlicher Kondensatorzellen dienen. Somit kann beispielsweise eine Ladestromquelle anhand des Ausgangssignals gesteuert und ein Ladevorgang beim Erreichen des Zustands vollständiger Aufladung sämtlicher Kondensatorzellen beendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Schaltelemente derart ausgeführt sind, dass die Schalter galvanisch von den Spannungsbegrenzungselementen getrennt sind.
Die Schaltelemente können hierzu insbesondere jeweils ein Relais, insbesondere ein SMD-Relais, umfassen. Sie können hierzu auch jeweils einen Optokoppler umfassen.
Die Spannungsbegrenzungselemente umfassen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jeweils eine Zenerdiode, vorzugsweise eine aktive Zenerdiode.
Vorzugsweise umfasst die Auswerteschaltung einen zu der Schalterserie in Reihe geschalteten Widerstand und eine Spannungsquelle, deren Spannung an der Reihenschaltung aus Widerstand und Schalterserie anliegt. Als Ausgangsignal kann dann die an der Schalterserie anliegende Schaltung dienen.
Vorzugsweise wird eine Ladestromquelle zum Laden der Kondensatorzellen in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal gesteuert. Insbesondere kann die Ladestromquelle abgeschaltet werden, wenn das Ausgangssignal eine vorgegebene Mindestspannung unterschreitet.
Im Folgenden wird anhand der einzigen beigefügten Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Es zeigt
1 eine Kondensatoranordnung mit einer Symmetrierschaltung und einer Auswerteschaltung zur Detektion des Zustands vollständiger Aufladung sämtlicher Kondensatorzellen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Symmetrierschaltungen für Kondensatoranordnungen mit in Reihe geschalteten Speicherzellen bekannt. Durch die Verwendung von Symmetrierschaltungen können Spannungsunterschiede zwischen den einzelnen Speicherzellen vermieden bzw. ausgeglichen werden.
Beim Symmetriervorgang wird der elektrische Speicher in der Regel mit einem verhältnismäßig kleinen Strom solange aufgeladen, bis über jeder einzelnen Zelle eine eingestellte Referenzspannung anliegt. Die Überwachung der Spannung erfolgt im Stand der Technik in der Regel mit Hilfe einer elektronischen Schaltung. Auch sind Systeme bekannt, die Ladungspakete zwischen einzelnen Zellen über entsprechende Vorrichtungen (z. B. Schaltwandler) verschieben können.
Als Spannungsbegrenzungselement kann insbesondere eine aktive Zener-Diode dienen. Eine ideale Zener-Diode weist unterhalb einer bestimmten (Durchbruchs-)Spannung einen großen Widerstand auf, wodurch Selbstentladungsströme klein gehalten werden. Oberhalb der Durchbruchsspannung hingegen zeichnet die Zener-Diode eine flache Spannungs-Strom-Charakteristik aus, womit das Auftreten von Überspannungen verhindert wird. Die Durchbruchsspannung der aktiven Zener-Diode kann mittels eines Spannungsteilers auf den vorliegenden Anwendungsfall abgestimmt werden.
In bekannten Schaltungen gibt es in der Regel Zell- oder Modulspannungsabgriffe, deren Signale einzeln einer übergeordneten Steuerung zugeführt werden. Das Erreichen der Symmetrierspannung kann dann von der übergeordneten Steuerung detektiert und an eine Stromquelle übermittelt werden. Die Steuerung muss in der Regel separat versorgt werden, z. B. mit einer Spannung von 12 Volt. Bei einem Speicher bestehend aus einer Vielzahl einzelner in Reihe geschalteter Speicherzellen (z. B. mehr als 100 Kondensatorzellen) führt bei solcher Ausführung jeweils eine Leitung zur Steuerung, was einen großen Verkabelungsaufwand bedeutet und viel Platz einnimmt. Für die Auswertung der gegebenenfalls mehr als 100 Signale ist eine zusätzliche Auswerteelektronik notwendig.
Als Alternative ist es bekannt, dass bei Zell- oder Modulspannungsabgriffen eine entsprechende Signalaufbereitung in den Modulen erfolgt, die wiederum untereinander und mit der übergeordneten Steuerung über ein Bussystem kommunizieren. Bei Anwendung von Modulsteuergeräten fällt ebenfalls ein relativ großer Aufwand zur Verkabelung an. Vor allem aber ist der Aufwand zur Sicherstellung einer sicheren Kommunikation mit dem übergeordneten Steuergerät für die sichere Funktion des Systems beträchtlich.
Auch aus Kostensicht ist ein Cap-Batteriesystem mit vielen Modulsteuergeräten mit jeweils eigenem Prozessorsystem, Steckern und geschirmten Leitungen für die Datenübertragung, nachteilig.
Die in 1 skizzierte Schaltung zeigt eine Kondensatoranordnung mit einer Reihenschaltung aus n Kondensatorzellen (K1, K2, K3, K4, K5, ..., Kn), bei welcher jeder Kondensatorzelle eine als Spannungsbegrenzungselement wirkende Zenerdiode (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, ..., Zn) parallel geschaltet ist. Durch die Zenerdiode wird jeweils die Spannung an der jeweiligen Kondensatorzelle auf eine Referenzspannung begrenzt. Der Wert der Referenzspannung ist durch die Dimensionierung der Zenerdiode vorgebbar. Vorzugsweise ist diese Referenzspannung für alle Kondensatorzellen gleich gewählt.
Die Kondensatoranordnung umfasst zudem n Schaltelemente (SE1, SE2, SE3, SE4, SE5, ..., SEn) sowie eine Auswerteschaltung, die ein Ausgangssignal U_out bereitstellt.
Die Schaltelemente (SE1, SE2, SE3, SE4, SE5, ..., SEn) sind im vorliegenden Beispiel jeweils als Treiberschaltung mit integriertem Relais ausgeführt.
Jeder der in Reihenschaltung verbundenen Kondensatorzellen ist eine Treiberschaltung zugeordnet, welche einen – hier als Schalter des jeweils integrierten Relais ausgeführten – Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, ..., Sn) umfasst, der beim Erreichen der Referenzspannung geschlossen wird.
Jedes der Treiberschaltungen umfasst zudem ein Detektorelement (D1, D2, D3, D4, D5, ..., Dn). Die Detektorelemente sind in 1 exemplarisch dargestellt als npn-Transistoren mit einem mit dessen Kollektor verbundenen Widerstand. Die weitere Beschaltung ergibt sich aus dem Grundwissen des Fachmanns. Das Erreichen der Referenzspannung wird durch die Detektorelemente detektiert, woraufhin das Schließen des zugehörigen Schalters veranlasst wird.
Die Schalter (S1, S2, S3, 54, S5, ..., Sn) sind ihrerseits in einer Reihenschaltung zu einer Schalterserie verbunden und in Reihe mit einem Widerstand R_out geschaltet. An der Reihenschaltung liegt eine Messspannung U_0 an.
Ist zumindest ein Schalter geöffnet, fällt die Messspannung U_0 nahezu komplett an der Schalterserie ab und die Ausgangsspannung U_out tendiert gegen U_0. Sind alle Schalter geschlossen (dies ist der Fall, wenn alle Speicherzellen auf die jeweilige Referenzspannung aufgeladen sind), fällt die Messspannung U_0 nahezu komplett am Widerstand R_out ab und die Ausgangsspannung U_out tendiert gegen Null.
Bei Verwendung von Optokopplern (und ggf. geeigneter Dimensionierung der Auswerteschaltung) kann z. B. eine Messspannung proportional der Anzahl auf Referenzspannung geladener Speicherzellen erfasst werden. Somit wird es möglich, ein Ausgangssignal auszugeben, anhand dessen quantitativ erkennbar ist, wie viele Kondensatorzellen aktuell voll geladen sind Anhand der so veränderten Ausgangsspannung wird der Zustand vollständiger Aufladung aller Speicherzellen am Ausgang erkennbar. Eine nicht eigens grafisch in 1 dargestellte Ladestromquelle kann dann abgeschaltet werden.
Die Schaltung gemäß 1 löst die Probleme des Stands der Technik und minimiert den zur Feststellung des Zustands vollständiger Aufladung erforderlichen Verkabelungsaufwand. Die Versorgung der Schaltung erfolgt über die Spannung der einzelnen Kondensatorzelle. Die Schaltung kann insbesondere bestehen aus einer einstellbaren Referenzdiode und einer Treiberschaltung mit integriertem Relais. Der Verkabelungsaufwand ist dann besonders gering. Beim Ladevorgang mit kleinem Strom wird die Spannung jeder Zelle durch eine Auswertungselektronik überwacht, deren Stromverbrauch unter der Vollladespannung sehr klein ist, um Selbstentladung zu verhindern. Anders als bei bekannten Verschaltungen wird das Erreichen der Symmetrierspannung über einen Schalter signalisiert. Im Folgenden wird von einer Realisierung der Schalter als Relais ausgegangen. Denkbar ist aber auch beispielsweise die Verwendung von Optokopplern. Vorteilhaft ist jedenfalls die Schaffung einer galvanischen Trennung zwischen Zenerdiode und Schalter, in 1 verdeutlicht durch die Strichlinie G. Hat jede einzelne Zelle die Symmetrierspannung erreicht, so sind alle Relais (z. B. SMD Bausteine) durchgeschaltet und die Signalleitung zur Steuerung der Stromquelle (z. B. DC/DC-Wandler, Netz) wird auf Masse gezogen der Ladevorgang wird beendet. Die Symmetrierung ist abgeschlossen, alle Zellen sind auf dasselbe Spannungsniveau geladen.
Die vorgestellte Zell- bzw. Modulspannungsüberwachung enthält keine aufwändigen oder teuren Komponenten und der Verdrahtungsaufwand zu einer übergeordneten Steuerung minimiert sich im Idealfall auf die Weiterleitung eines einzigen Signals.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10021315 A1 [0004]

Claims

Kondensatoranordnung mit einer Reihenschaltung aus mindestens einer ersten und einer zweiten Kondensatorzelle, bei welcher zu jeder Kondensatorzelle ein Spannungsbegrenzungselement parallel geschaltet ist, durch welches die Spannung an der jeweiligen Kondensatorzelle auf eine Referenzspannung begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoranordnung Schaltelemente und eine Auswerteschaltung umfasst, die ein Ausgangssignal bereitstellt, dass jeder der in Reihenschaltung verbundenen Kondensatorzellen ein Schaltelement zugeordnet ist, welches einen Schalter umfasst, der beim Erreichen der Referenzspannung geschlossen wird, dass die Schalter ihrerseits in einer Reihenschaltung zu einer Schalterserie verbunden sind und dass die Auswerteschaltung eine an der Schalterserie anliegende Spannung überwacht und ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem Wert der Spannung ausgibt.
Kondensatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einer Kondensatorzelle zugeordnete Schaltelement über die Spannung der Kondensatorzelle versorgt wird.
Kondensatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung über die Spannung zumindest einer Kondensatorzelle versorgt wird.
Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung und/oder die Schaltelemente derart ausgeführt sind, dass ein Ausgangssignal ausgegeben wird, anhand dessen quantitativ erkennbar ist, wie viele Kondensatorzellen aktuell auf die Referenzspannung aufgeladen sind.
Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente derart ausgeführt sind, dass die Schalter galvanisch von den Spannungsbegrenzungselementen getrennt sind.
Kondensatoranordnung nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente jeweils ein Relais, insbesondere ein SMD-Relais, umfassen.
Kondensatoranordnung nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltemente jeweils einen Optokoppler umfassen.
Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungselemente jeweils eine Zenerdiode, insbesondere eine aktive Zenerdiode, umfassen.
Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung einen zu der Schalterserie in Reihe geschalteten Widerstand umfasst und eine Spannungsquelle umfasst, deren Spannung an der Reihenschaltung aus Widerstand und Schalterserie anliegt, und dass das Ausgangsignal die an der Schalterserie anliegende Schaltung ist.
Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladestromquelle zum Laden der Kondensatorzellen in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal gesteuert wird.