DE102010053204A1 - Kondensatormodul zur Beschleunigung Laden-, Entladenvorgangs - Google Patents

Abstract

Die vorgeschlagene Kondensatormodulen und damit aufgebaute Bordnetzsysteme ermöglichen günstiger und wesentlich effizienter Nutzung der parallel angeschlossenen Kondensatoren am Bordnetz (12 V, HV-Zwischenkreis) um die Bordnetzstabilität und besonders die dynamische Belastbarkeit des Bordnetz zu erhöhen. Weiter die Lösung dient schönt die Energiespeicher beim schnellen Ladungstransport zwischen der Batterie (Energiespeicher) und Last (Bordnetz) und damit die hohe Erwärmung, die schnelle Kapazitätsverluste und Alterung der Batterie zu verhindert. Der Kondensatormodul ist beschaltetet als ein Boost-DC-DC-Wandler zwischen zwei Kondensatoren-Eingangskondensator 1A und Ausgangskondensator 1B. Der Regler (ZK/AMS) 17 steuert (PWM) das Schaltelement 15 so, dass die Ladung aus dem Eingangskondensator 1A (Uca << Uzk) wird übertragen auf den Ausgangskondensator 1B um einen Ladungsüberschuss auf dem Akkumulator 6 für das Bordnetz vorzubereiten

Description

• Heutzutage das Grundproblem der modernen Antriebe ist die enorme Belastung der DC-Versorgung mit Zwischenkreis, DC-Bordnetzen, der Akkumulatoren, der HV-Li-Ionen-Akkumulatoren durch die Anlaufströme der Motoren und dann Überspannung-Energieüberschuss verbunden mit Rekuperation, dann auch eingeschränkte Lebensdauer wegen ziemlich schnellen und intensiven Ladungstransports, womit die chemischen Abläufe stark beansprucht werden und bei der Trafo-Versorgung ist die übermäßige Dimensionierung des Transformators/Drossel für die maximale Stromanforderungen für die Anlaufströme. Weiterer Einschränkung der Batterie bei Entladen durch schnelle Stromschaltvorgänge in den Antrieben ist die ziemlich schlechte Dynamik-Spannungszusammenbruch-Dropout) wegen ziemlich hohen inneren Widerstand der Batterie, des Akkumulators, eines Zwischenkreises (ZK) ebenso bei beim Ladenvorgang – schnelle Ladungsüberschuss, was zu Überspannung führen konnte. Zusätzlich durch den sehr intensiven Ladungstransports zwischen Batterie und Last kann weiter zur starken Senkung der HV-Speicherkapazität, Senkung der Kapazität der 12 V-Batterie, Lebensdauer führen, aufgrund der starken Beanspruchung der chemischen Prozessen in den Energiespeicher.
• Die problematischen Eigenschaften der DC-Versorgung, des Akkumulators löst gerade nach der Anmeldung das Kondensatormodul zur Beschleunigung des Lade-Entladevorgangs eines Akkumulators, eventuell eines Zwischenkreises, das damit gekennzeichnet ist, dass zu der Beschleunigung und der Stromunterstützung der Lade-, Entladevorgängen wird ein Kondensator 1 so eingeschaltet, dass sein +-Pol wird mit dem +-Pol des Akkumulators 6 über einen Ladeelement 3 und Entladenelement 2 und eventuell mit langsamen Entladenelement 4 verbunden. Wobei der –Pol des Kondensators 1 und –Pol des Akkumulators 6 zusammen verbunden sind. Bei einem Ladungsüberschuss eventuell mit der entsprechenden kleinen Überspannung auf dem ZK-Zwischenkreis, Akkumulator 6 verbunden, wird das Ladeelement 3 aktiviert und das Ladungsüberschuss in den Kondensator 1 schnell abgeführt. Das Ladungsüberschuss wird dann langsam und schönend über das langsame Entladenelement 4 an den Akkumulator 6 übertragen bis sich die beide Spannungen gleichen aus. Umgekehrt wenn es plötzlich zu Ladungsanforderung, eventuell mit einer Spannungs-Drop-Out verbunden, kommt, öffnet sich schnell das Entladenelement 2 und die notwendige Ladungsmenge aus dem Kondensator (1) wird an den Akkumulator 6 eventuell an einer parallel geschaltete Last übertragen bis sich bis sich die beide Spannungen ausgleichen. Die Funktion des Kondensatormoduls eventuell deaktiviert wird, damit dass der Kondensator 1 über das Ladeelement 3 und/oder Entladenelement 2 mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet wird und der Kondensator 1 als parallel zu dem Akkumulator 6 angeschlossene Kapazität dient. In dem Zusammenhang die Elemente – das Ladeelement 3 und/oder das Entladenelement 2 und/oder das langsame Entladenelement 4, als analog- oder digitalgesteuerten (ev. PWM) aktiven Zweipolen beschaltet sein können und von den entsprechenden Ausgängen der ZK/AMS-Einheit – 17 (Zwischenkreis/Akkumulator Management Systems) gesteuert sein können. Die ZK/AMS-Einheit 17 direkt und optimal nach Bedarf bestimmt, bei welchen Spannungsdifferenzen zwischen ZK-Spannung und Spannung auf dem Kondensator 1, die einzelne Elemente. das Ladeelement 3, das Entladenelement 2 und das langsame Entladenelement 4 – schalten sollten, die einzelne – Ladevorgang, Entladevorgang und langsame Entladevorgang aktiviert werden. Weiter zu Verbesserung der dynamischen Eigenschaften des ZKs, Akkumulators kann man einsetzen einen Kondensatormodul mit Boost-DC-DC-Wandler zur Beschleunigung des Lade-, Entladevorgangs eines Akkumulators, eventuell eines Zwischenkreises, ist damit gekennzeichnet, dass zu der Beschleunigung und der Strom-, Energieunterstützung der Lade-, Entladevorgängen wird ein standardbeschalteter Boost-DC-DC-Wandler mit zwei Kondensatoren-Eingangskondensator (1A) und Ausgangskondensator (1B), deren +Pole über eine, in Reihe angeschlossene, Sammlungsinduktivität 13 und diode 14 verbunden sind. Ein Pol des Schaltelementes 15 ist zwischen der Sammlungsinduktivität 13 und Anode der diode 14 angeschlossen; der zweite Pol des Schaltelementes 15 ist mit –Pol der beiden Kondensatoren und –Pol des Akkumulators 6 und –Pol des notwendigen Reglers verbunden. Wobei der +-Pol des Eingangskondensators (1A) ist mit dem +-Pol des Akkumulators 6 über ein Ladeelement 3 verbunden und umgekehrt +-Pol des Ausgangskondensator (1B) ist mit dem +-Pol des Akkumulators 6 über ein Entladenelement 2 und eventuell mit langsamen Entladenelement 4 verbunden.
• Wie beim Boost-Wandler üblich ist steuert der Regler – ZK/AMS-Einheit 17 PWM-mäßig das Schaltelement 15 über seinen Steuereingang eventuell sein Gate so, dass die Spannung Uca =<< Uzk auf dem Eingangskondensator (1A) wird möglich niedrig vom Regler gehalten um Ladungsüberschuss am Akkumulator 6 – eventuell am Zwischenkreis (ZK) über das Ladeelement 3 schnell, je nach dynamischen Anforderungen – bei kleiner Überspannung und/oder bei steiler Flanke und/oder einer externen Anforderung, abführen zu können. Hier wird die Ladung an den Ausgangskondensator (1B) abgeführt und damit auch gewisse Ladungsüberschuss und maximale Spannung Ucb >= Uzk gehalten um schnelle Leistung/Stromanforderung vom ZK-Zwischenkreis, je nach dynamischen Anforderungen – z. B. bei kleiner Unterspannung und/oder bei steiler fallenden Flanke und/oder einer Energieanforderung, ausführen zu können. Entladenelement 2 oder eventuell das langsame Entladenelement 4 eventuell mit einem in Reihe angeschlossenen Filter 7 sorgt dafür das Ladungsüberschuss vom Ausgangskondensator (1B) langfristig an den Akkumulator 6 zu übertragen. Die Funktion des Kondensatormoduls eventuell deaktiviert wird, damit dass der Eingangskondensator (1A) über das Ladeelement 3 und der Ausgangskondensator (1B) über das Entladenelement 2 mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet wird und die beide Kondensatoren als parallel zu dem Akkumulator 6 angeschlossene Kapazität dienen. Eventuell weiter wird die Energiequelle – der Akkumulators 6 vom Last-Zwischenkreis über ein von der ZK/AMS-Einheit 17 gesteuerten Schaltelement 20 getrennt und dann die beide Kondensatoren – der Eingangskondensator (1A), Ausgangskondensator (1B), die diode 14 und die Sammlungsinduktivität 13 als Filter dienen.
• Für den Fall, eines Ladungs-Spannungsüberschusses auf dem ZK ist gedacht ein Kondensatormodul mit Boost-DC-DC-Wandler zur Beschleunigung des Entladevorgangs eines Akkumulators, eventuell eines Zwischenkreises, dass damit gekennzeichnet ist, ist damit gekennzeichnet, dass zu der Beschleunigung und der Stromunterstützung der Ladevorgänge wird ein standartbeschalteter Boost-DC-DC-Wandler mit bloß einem Kondensatoren-Eingangskondensator (1A), dessen +Pole über eine, in Reihe angeschlossene, Sammlungsinduktivität 13 und die Diode 14 mit dem +-Pol des Akkumulators 6 entweder direkt oder über das Entladeelement 2 verbunden ist. Ein Pol des Schaltelementes 15 ist zwischen der Sammlungsinduktivität 13 und Anode der Diode 14 angeschlossen; der zweite Pol des Schaltelementes 15 ist mit –Pol des Eingangs-kondensators (1A), und –Pol der Batterie und –Pol des notwendigen Reglers-ZK/AMS-Einheit 17 verbunden ist. Der Regler steuert PWM-mäßig das Schaltelement 15 über seinen Steuereingang eventuell sein Gate so, dass die Ladung vom Eingangskondensator (1A) an den Akkumulator 6 eventuell Zwischenkreis abgeführt wird, so dass der Eingangskondensator (1A) bereit ist, bei kleiner Überspannung und/oder bei steiler steigenden Flanke und/oder einer Anforderung, eine transiente Überspannung-Ladungsüberschuss vom Akkumulator 6 – Zwischenkreis entsprechend schnell über das Ladeelement 3 zu übernehmen. Der +-Pol des Eingangskondensators (1A) ist mit dem +-Pol des Akkumulators 6 über ein Ladeelement 3 verbunden. Die Spannung auf dem Eingangskondensator (1A) wird möglich niedrig vom Regler gehalten um eine Überspannung-Ladungsüberschuss am Akkumulator 6 eventuell am ZK über das Ladeelement 3 schnell abführen zu können. Die Funktion des Kondensatormoduls eventuell deaktiviert wird, damit dass der Eingangskondensator (1A) über das Ladeelement 3 mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet wird und der Kondensator als parallel zu dem Akkumulator 6 angeschlossene Kapazität dient. Eventuell weiter wir die Energiequelle – der Akkumulators 6 vom Last-Zwischenkreis über ein von der ZK/AMS-Einheit 17 gesteuerten Schaltelement 20 getrennt und dann der Eingangskondensator (1A), die diode 14 und die Sammlungsinduktivität 13 als Filter dienen. Für den Fall der schnellen Stromanforderung auf dem ZK ist gedacht das Kondensatormodul mit Boost-DC-DC-Wandler zur Beschleunigung des Entladevorgangs eines Akkumulators, eventuell eines Zwischenkreises, das damit gekennzeichnet ist, dass zu der Beschleunigung und der Stromunterstützung der Lade-, Entladevorgängen wird ein standartbeschalteter Boost-DC-DC-Wandler mit bloß einem Ausgangskondensator (1B), dessen +Pole über eine, in Reihe angeschlossene, Diode 14 und die Sammlungsinduktivität 13 direkt oder eventuell über Ladeelement 3 und gleichzeitig über Entladeelement 2 mit dem +Pol des Akkumulators verbunden ist. Ein Pol des Schaltelementes 15 ist zwischen der Sammlungsinduktivität 13 und Anode der Diode 14 angeschlossen; der zweite Pol des Schaltelementes 15 ist mit –Pol des Ausgangskondensators (1B) und –Pol des Akkumulators und –Pol des notwendigen Reglers verbunden.
• Wie beim Standard-Boost-Wandler steuert der Regler PWM-mäßig das Schaltelement 15 über seinen Steuereingang eventuell Gate so, dass eine hoher Spannung Ucb > Uzk (Ladungsüberschuss, Energiereserve) auf dem Ausgangskondensators (1B) gebildet wird um eine schnelle Leistung/Stromanforderung an ZK-Zwischenkreis, eventuell Akkumulator 6, bei kleiner Unterspannung und/oder bei steiler fallenden Flanke und/oder einer Energieanforderung, vom Ausgangskondensators (1B) über das Entladeelement 2 an ZK entsprechend schnell überführen zu können. Die Funktion des Kondensatormoduls eventuell deaktiviert wird, damit dass der Ausgangskondensator (1B) über das Entladenelement 2 mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet wird und als parallel angeschlossene Kapazität zu dem Akkumulator 6 dient. Eventuell weiter wird die Energiequelle – der Akkumulators 6 vom Last-Zwischenkreis über ein von der ZK/AMS-Einheit 17 gesteuerten Schaltelement 20 getrennt und dann der Ausgangskondensators (1B), die Diode 14 und die Sammlungsinduktivität 13 als Filter dienen.
• Bei den beschriebenen Kondensatormodulen können die Steuerungseingänge des Ladeelements 3, des Entladenelements 2 und des langsamen Entladenelements 4 von der Ausgängen der eigenen Spannungskomparatoren 5 eventuell mit der Hysteresis gesteuert sein, wobei die Differenz-Eingänge der Spannungskomparatoren 5 immer zwischen +Pol des Akkumulators 6 und +Pol des Kondensators 1 oder eventuell +Pol des Eingangskondensators 1A, oder +Pol des Ausgangskondensators 1B angeschlossen sind. Die Hysteresis der einzelnen Komparatoren 5 bestimmen, bei welchen Spannungsdifferenzen zwischen dem ZK, Akkumulator 6 und Kondensator 1 oder die einzelne – Ladevorgang und Entlade-Vorgang und langsame Entlade-Vorgang aktiviert werden.
• Der Kondensatormodul kann diskret aufgebaut sein und die Steuerungseingänge des Ladeelements 3, des Entladenelements 2 und des langsamen Entladenelements 4 von der Ausgängen der eigenen Spannungskomparatoren 5 eventuell mit Hysteresis, angeschlossen und gesteuert sein, wobei die Differerz-Eingänge der Spannungskomparatoren 5 immer zwischen +Pol des Akkumulators 6 und +Pol des Kondensators 1 oder eventuell +Pol des Eingangskondensators (1A), oder +Pol des Ausgangskondensators (1B) angeschlossen sind. Die Spannungsdifferenz an der einzelnen Komparatoren 5 und/oder die Steilheit der Spannungsflanken +Uzk (Ub) und/oder die dynamischen Anforderungen an +Uzk (+Ub) bestimmen, bei welchen Spannung +Uzk, +Ub Akkmnulator 6, +Uc Kondensator 1 und mit welcher Verzögerung die einzelne – Ladevorgang und Entlade-Vorgang und langsame Entlade-Vorgang aktiviert werden.
• Bei den Kondensatormodulen insbesondere bei den Kondensatormodulen mit Boost-DC-DC-Wandler kann die Funktion des Reglers durch der ZK/AMS-Einheit 17 (Zwischenkreis/Akkumulator Management Systems) implementiert sein und die einzelne Elemente – das Schaltelement 15 das Ladeelement 3, das Entladeelement 2 und eventuell das langsame Entladenelement 4 von der ZK/AMS-Einheit 17, über die entsprechende Steuerungseingänge gesteuert sein.
• Die Funktion der ZK/AMS-Einheit 17 liegt in der Daueraufnahme der Spannungen aus dem Zwischenkreis +Uzk, des Akkumulators 6 einschließlich der Steilheit der steigenden/fallenden Flanken, je nach Beschaltung, die Spannungen aus dem Ausgangskondensators (1B), eventuell +Uca aus dem Eingangskondensators (1A), weiter in der Auswertung der Daten und der Auswertung der dynamischen Anforderungen – direkt aus der Spannungen oder durch ein Kommunikationsbus und in der Steuerung der einzelnen Elementen – das Schaltelement 15 das Ladeelement 3, das Entladeelement 2 und eventuell das langsame Entladenelement 4 optimal (digital EIN/AUS, PWM) und damit nach Bedarf die einzelne – Ladevorgänge, Entladevorgänge und eventuell die langsame Entladevorgänge. Bei der Beschreibung der einzelnen Kondensatormodulen kann der Akkumulator 6 auch ein Lithium-Ionen-Akkumulator, ein Blei-Akkumulator, Nicd-Akkumulator oder eine aufladbare Batterie – eine Lithium-Ionen-Batterie, oder eine DC-Versorgung, ein DC-Bordnetz darstellen.
• Als der Kondensator 1, Eingangskondensator 1A, Ausgangskondensator 1B – können die Ultra-Cup-Kondensatoren oder/und die Folienkondensator oder/und die Elektrolytkondensatoren angewendet sein und die genannten einzelnen Kondensatoren können eventuell eine Kondensator-Batterie aus zwei oder mehreren Kondensatoren bilden. Das Ladeelement 3 und Entladenelement 2 können entweder als Zweipolen beschaltet sein und die weiter aus Dioden oder aus Überspannungsschutz-Dioden und (R)-Elementen und eventuell aus Widerstanden, eventuell aus Kondensatoren, eventuell aus Induktivitäten je nach Anforderungen bestehen; und/oder dass die Ladeelemente 3, Entladenelemente 2 und die langsame Entladenelemente 4 als digitalgesteuerten aktiven Zweipolen (Ein/Aus, PWM) beschaltet sind und aus gesteuerten elektrischen/elektronischen Schalter-Relais, IGBT, MOSFET und eventuell weiter aus RC-Glied, RCL-Glied je nach Anforderungen bestehen. Als das Schaltelement 15 ist ein gesteuerter elektronischer Halbleiter-Schalter, ein Transistor IGBT, MOSFET vorgesehen.
• Die Funktion der beiden einzelne Elementen – des Ladeelementes 3 und das Entladeelementes 2 und eventuell auch des langsamen Entladenelementes 4 kann ein Element, entweder das Ladeelement 3 oder das Entladeelement 2, übernehmen.
• 12. Für die dynamischen Management auf dem ZK, Akkumulator ist vorgeschlagen ein Energiemanagementsystem eines Zwischenkreises mit Kondensatormodulen, dass damit gekennzeichnet ist, dass ein oder mehrere Kondensatormodulen 11 mit zwei – mit dem Eingangskondensator (1A) und dem Ausgangskondensator (1B), und/oder ein oder mehrere Kondensatormodulen 11 mit einem Kondensator – mit dem Kondensator 1, Eingangskondensator (1A) oder mit dem Ausgangskondensator (1B), parallel auf dem Zwischenkreis, eventuell parallel zu dem Akkumulator 6 oder DC-Bordnetz, beschaltet werden und von der ZK/AMS-Einheit 17 gesteuert werden, so dass nach bedarf ein oder mehrere Eingangskondensatoren (1A) leer gesteuert werden (Uca =<< Uzk) und ein oder mehrere Ausgangskondensatoren (1B), mit Überspannung-Energieüberschuss (Ucb >= Uzk) gesteuert werden. Die leere Eingangskondensatoren (1A) werden damit vorbereiten um eine Überspannung (Energieüberschuss) auf dem ZK über die Ladeelemente 3, bei kleiner Überspannung und/oder bei steiler Flanke und/oder einer Anforderung, aufzunehmen und umgekehrt die Ausgangskondensatoren (1B) werden damit vorbereiten ein schneller Energiebedarf dem ZK über die Entladenelemente 2, bei kleiner Unterspannung und/oder bei steiler fallenden Flanke und/oder einer Energieanforderung, abzugeben, um ein Spannungszusammenbruch des ZK zu verhindern. Der einen oder mehreren Kondensatormodulen 11 und die die einzelne – Ladevorgänge, Entladevorgänge und eventuell die langsame Entladevorgänge werden von der ZK/AMS-Einheit 17 (Zwischenkreis/Akkumulator-Managementsystem) optimal je nach Bedarf und je nach der Auswertung der Spannungsverhältnissen am ZK, Akkumulator 6, je nach dynamischen Strom/Leistungsanforderungen eventuell aus einem Kommunikationsbus, gesteuert.
• Die Funktion der Kondensatormodulen eventuell gewisse Zeit deaktiviert werden, damit dass die Eingangskondensator (1A), die Ausgangskondensatoren (1B) mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet werden und dann die beide Kondensatoren als parallel zu dem Akkumulator 6 angeschlossene Kapazität dienen. Eventuell weiter wird die Energiequelle – der Akkumulator 6 vom Last-Zwischenkreis über ein von der ZK/AMS-Einheit 17 gesteuerten Schaltelement 20 getrennt und dann die Kondensatoren-Eingangskondensatoren (1A), Ausgangskondensatoren (1B), die Dioden 14 und die Sammlungsinduktivitäten 13 als Filter dienen.
• Das Kondensatormodul und das Energiemanagementsystem eines Zwischenkreises mit Kondensatormodulen können unter zwei Akkumulatoren, eventuell 2 DC-Bordnetzen betrieben werden. Wobei das ein oder mehrere Kondensatormodulen 11 mit zwei – mit dem Eingangskondensator 1A und dem Ausgangskondensator 1B, und/oder ein oder mehrere Kondensatormodulen 11 mit einem Kondensator – mit dem Kondensator 1, Eingangskondensator 1A oder mit dem Ausgangskondensator 1B von einem 2. Akkumulator 18, eventuell 2. Bordnetz gespeist werden und die eigene Eingänge an dem +Pol des 2. Akkumulators 18, eventuell 2. DC-Bordnetzes angeschlossen werden.
• Zu letzt ist vorgeschlagen eine Überspannungsschutz mit einem Kondensator, die damit gekennzeichnet ist, dass ein Pol eines Überspannungselements 8 ist mit dem +Pol Akkumulator 6 und eventuell +Pol des Zwischenkreises verbunden und der andere Pol des Überspannungselements 8 über eine Diode 16 in leitender Richtung mit dem +Pol des Kondensators 1 und gleichzeitig über ein Widerstand 12 mit de –Pol der Batterie und –Pol des Kondensators 1. Sobald auf der Akkumulator 6 und Zwischenkreis ein Ladungsüberschuss, mit der Überspannung verbunden, entsteht wird das Überspannungselement 8 über den Widerstand 12 aktiviert – geöffnet und der Ladungsüberschuss wird über die Diode 16 in den Kondensators 1 abgeführt. Diese Ladung ist weiter über ein Entladenelement 2 und/oder eventuell mit langsamem Entladenelement 4 in den Akkumulator 6 übertragen.
• Bei den einzelnen Kondensatormodulen und bei den Kondensatormodulen der Energiemanagementsystemen man geht davon aus, dass je nach Bedarf der Topologie sind die Steuerungseingänge der Ladeelementen 3 oder der Entladeelementen 2 oder der langsamen Entladenelementen 4, die Differenz-Eingänge und Ausgänge der Spannungskomparatoren 5 und eventuell weiter die Eingänge und die Ausgänge der ZK/AMS-Einheit 17 galvanisch getrennt sind.
• Das vorgeschlagene System mit den vorgeschlagenen Kondensatormodulen ermöglicht günstig und wesentlich effizienter Nutzung der parallel angeschlossener Folien-, Super-Cap-Kondensatoren, die Bordnetzstabilität und Zwischenkreisstabilität und für die hohe dynamische Anforderungen eines Fahrzeugs im Zeitbereich Millisekunden bis mehreren Hundert Sekunden, da jetzige Stand der Technik bietet günstige und schnelle Schaltelemente 15 (MOSFETs, IGBTs – 10–20 ns/100 kHz–1 MHz) und entsprechend kleine und günstige Sammlungsinduktivitäten 13. Weiter die vorgeschlagene Lösung dient schönend für die Energiespeicher bei der Ladungstransport; ermöglicht die starke Entlastung der 12 V-Batterien und der HV-Speicher (Li-Ionen-Batterie) bei den dynamischen Vorgängen, hohen dynamischen Anforderungen und damit auch verhindert die Erwärmung, die schnelle Kapazitätsverluste, kurze Lebensdauer der Energiespeicher.
• 1 zeigt ein Beispiel der Grundtopologie des Kondensatormoduls nach der Anmeldung
• 2 zeigt ein Beispiel der Schaltung des des Kondensatormoduls nach der Anmeldung wo die einzelne Ladeelemente 3, Entladenelemente 2 und/oder eventuell mit langsamem Entladenelemente 4 mit Komparatoren 5 gesteuert werden und die ZK/AMS-Einheit 17 aktiviert die einzelne Komparatoren 5
• 3 zeigt ein Beispiel der Schaltung des des Kondensatormoduls nach der Anmeldung wo die einzelne Ladeelemente 3, Entladenelemente 2 und/oder eventuell mit langsamem Entladenelemente 4 direkt von der ZK/AMS-Einheit 17 gesteuert werden.
• 4 zeigt ein Beispiel der Schaltung des des Kondensatormoduls mit DC-DC-Boost-Wandler mit der ZK/AMS-Einheit 17 als Boost-Regler nach der Anmeldung, wo die einzelne Ladeelemente 3, Entladenelemente 2 und/oder eventuell mit langsamem Entladenelemente 4 von der ZK/AMS-Einheit 17 gesteuert werden, wobei der Eingangskondensator 1A ist mir der Spannung Uca << Uzk und Ausgangskondensators 1B ist mit der Spannung Ucb > Uzk gehalten.
• 5 zeigt ein Beispiel der Schaltung des Kondensatormoduls mit DC-DC-Boost-Wandler mit der ZK/AMS-Einheit 17 als Boost-Regler nach der Anmeldung bloß mit einem Eingangskondensator 1A wo die Spannung Uca << Uzk gehalten wird um eine transiente Überspannung aus dem ZK schnell zu übernehmen.
• 6 zeigt ein Beispiel der Schaltung des Kondensatormoduls mit DC-DC-Boost-Wandler mit der ZK/AMS-Einheit 17 als Boost-Regler nach der Anmeldung bloß mit einem Ausgangskondensator 1B, wo die Spannung Ucb > Uzk gehalten wird um eine dynamische Stromanforderung vom ZK zu übernehmen.
• 7 zeigt ein Beispiel der Schaltung des Energiemanagementsystems eines Zwischenkreises mit mehreren Kondensatormodulen 11 gesteuert von der ZK/AMS-Einheit 17
• 8 zeigt ein Beispiel der Schaltung des Energiemanagementsystems eines Zwischenkreises mit mehreren Kondensatormodulen 11, die aus dem 2. Akkumulators 18 gespeist sind.
• 9 zeigt ein Beispiel der Funktion des beschriebenen Kondensatormoduls mit dem Boost-Regler mit dem Ausgangskondensator 1B +Ucb > Uzk und den Einfluss-Ausgleich der Spannung auf +Uzk während der starken dynamischen Strombelastung des ZKs und gleichzeitiges Einschalten des Entladenelementes 2
  ZK-Zwischenkreis
  ZK/AMS-Einheit (17) – Einheit des Zwischenkreis/Akkumulator-Managementsystem

Claims (15)

1. Kondensatormodul zur Beschleunigung des Lade-Entladevorgangs eines Akkumulators, eventuell eines Zwischenkreises ist damit gekennzeichnet, dass zu der Beschleunigung und der Stromunterstützung der Lade-, Entladevorgängen wird ein Kondensator (1) so eingeschaltet, dass sein +-Pol wird mit dem +-Pol des Akkumulators (6) über einen Ladeelement (3) und Entladenelement (2) und eventuell mit langsamen Entladenelement (4) verbunden. Wobei der –Pol des Kondensators (1) und –Pol des Akkumulators (6) zusammen verbunden sind. Bei einem Ladungsüberschuss eventuell mit der entsprechenden kleinen Überspannung auf dem ZK-Zwischenkreis, Akkumulator (6) verbunden, wird das Ladeelement (3) aktiviert und das Ladungsüberschuss in den Kondensator (1) schnell abgeführt. Das Ladungsüberschuss wird dann langsam und schönend über das langsame Entladenelement (4) an den Akkumulator (6) übertragen bis sich die beide Spannungen gleichen aus. Umgekehrt wenn es plötzlich zu Ladungsanforderung, eventuell mit einer Spannungs-Drop-Out verbunden, kommt, öffnet sich schnell das Entladenelement (2) und die notwendige Ladungsmenge aus dem Kondensator (1) wird an den Akkumulator (6) eventuell an einer parallel geschaltete Last übertragen bis sich bis sich die beide Spannungen ausgleichen. Die Funktion des Kondensatormoduls eventuell deaktiviert wird, damit dass der Kondensator (1) über das Ladeelement (3) und/oder Entladenelement (2) mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet wird und der Kondensator (1) als parallel zu dem Akkumulator (6) angeschlossene Kapazität dient.
2. Kondensatormodul zur Beschleunigung des Lade-, Entladenvorgangs nach Anspruch 1, ist damit gekennzeichnet, dass das Ladeelement (3) und/oder das Entladenelement (2) und/oder das langsame Entladenelement (4), als analog- oder digitalgesteuerten (ev. PWM) aktiven Zweipolen beschaltet, von den entsprechenden Ausgängen eines Zwischenkreis/Akkumulator Management Systems – einer ZK/AMS-Einheit – (17) gesteuert sind. Die ZK/AMS-Einheit (17) direkt und optimal nach Bedarf bestimmt, bei welchen Spannungsdifferenzen zwischen ZK-Spannung und Spannung auf dem Kondensator (1) und/oder Steilheit der Spannungsflanke, die einzelne Elemente. das Ladeelement (3), das Entladenelement (2) und das langsame Entladenelement (4) – schalten sollten, die einzelne – Ladevorgang, Entladevorgang und langsame Entladevorgang aktiviert werden. Die Funktion des Kondensatormoduls eventuell deaktiviert wird, damit dass der Kondensator (1) über das Ladeelement (3) und/oder Entladenelement (2) mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet wird und der Kondensator (1) als parallel zu dem Akkumulator (6) angeschlossene Kapazität dient.
3. Kondensatormodul mit Boost-DC-DC-Wandler zur Beschleunigung des Lade-, Entladevorgangs eines Akkumulators, eventuell eines Zwischenkreises, ist damit gekennzeichnet, dass zu der Beschleunigung und der Stromunterstützung der Lade-, Entladevorgänge wird ein standardbeschalteter Boost-DC-DC-Wandler mit zwei Kondensatoren-Eingangskondensator (1A) und Ausgangskondensator (1B), deren +Pole über eine, in Reihe angeschlossene, Sammlungsinduktivität (13) und diode (14) verbunden sind. Ein Pol des Schaltelementes (15) ist zwischen der Sammlungsinduktivität (13) und Anode der diode (14) angeschlossen; der zweite Pol des Schaltelementes (15) ist mit –Pol der beiden Kondensatoren und –Pol des Akkumulators (6) und –Pol des notwendigen Reglers verbunden. Wobei der +-Pol des Eingangskondensators (1A) ist mit dem +-Pol des Akkumulators (6) über ein Ladeelement (3) verbunden und umgekehrt +-Pol des Ausgangskondensator (1B) ist mit dem +-Pol des Akkumulators (6) über ein Entladenelement (2) und eventuell mit langsamen Entladenelement (4) verbunden. Wie beim Boost-Wandler üblich ist steuert der Regler-ZK/AMS-Einheit (17) PWM-mäßig das Schaltelement (15) über seinen Steuereingang eventuell sein Gate so, dass die Spannung Wie beim Boost-Wandler üblich ist steuert der Regler-ZK/AMS-Einheit (17) PWM-mäßig das Schaltelement (15) über seinen Steuereingang eventuell sein Gate so, dass die Spannung Uca =<< Uzk auf dem Eingangskondensator (1A) wird möglich niedrig vom Regler gehalten um Ladungsüberschuss am Akkumulator (6) – eventuell am Zwischenkreis (ZK) über das Ladeelement (3) schnell, je nach dynamischen Anforderungen – bei kleiner Überspannung und/oder bei steiler Flanke und/oder einer externen Anforderung, abführen zu können. Hier wird die Ladung an den Ausgangskondensator (1B) abgeführt und damit auch gewisse Ladungsüberschuss und maximale Spannung Ucb >= Uzk gehalten um schnelle Leistung/Stromanforderung vom ZK-Zwischenkreis, je nach dynamischen Anforderungen – bei kleiner Unterspannung und/oder bei steiler fallenden Flanke und/oder einer Energieanforderung, ausführen zu können. Entladenelement (2) oder eventuell das langsame Entladenelement (4) eventuell mit einem in Reihe angeschlossenen Filter (7) sorgt dafür das Ladungsüberschuss vom Ausgangskondensator (1B) langfristig an den Akkumulator (6) zu übertragen. Die Funktion des Kondensatormoduls eventuell deaktiviert wird, damit dass der Eingangskondensator (1A) über das Ladeelement (3) und der Ausgangskondensator (1B) über das Entladenelement (2) mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet wird und die beide Kondensatoren als parallel zu dem Akkumulator (6) angeschlossene Kapazität dienen. Eventuell weiter wird die Energiequelle – der Akkumulators (6) vom Last-Zwischenkreis über ein von der ZK/AMS-Einheit (17) gesteuerten Schaltelement (20) getrennt und dann die beide Kondensatoren – der Eingangskondensator (1A), Ausgangskondensator (1B), die diode (14) und die Sammlungsinduktivität (13) als Filter dienen.
4. Kondensatormodul mit Boost-DC-DC-Wandler zur Beschleunigung des Entladevorgangs eines Akkumulators, eventuell eines Zwischenkreises, ist damit gekennzeichnet, dass zu der Beschleunigung und der Stromunterstützung der Ladevorgänge wird ein standartbeschalteter Boost-DC-DC-Wandler mit bloß einem Kondensatoren-Eingangskondensator (1A), dessen +Pole über eine, in Reihe angeschlossene, Sammlungsinduktivität (13) und die Diode (14) mit dem +-Pol des Akkumulators (6) entweder direkt oder über Entladeelement (2) verbunden ist Ein Pol des Schaltelementes (15) ist zwischen der Sammlungsinduktivität (13) und Anode der Diode (14) angeschlossen; der zweite Pol des Schaltelementes (15) ist mit –Pol des Eingangskondensators (1A), und –Pol der Batterie und –Pol des notwendigen Reglers-ZK/AMS-Einheit (17) verbunden ist. Der Regler steuert PWM-mäßig das Schaltelement (15) über seinen Steuereingang eventuell sein Gate so, dass die Ladung vom Eingangskondensator (1A) an den Akkumulator (6) eventuell Zwischenkreis abgeführt wird, so dass der Eingangskondensator (1A) bereit ist, bei kleiner Überspannung und/oder bei steiler steigenden Flanke und/oder einer Anforderung, eine transiente Überspannung-Ladungsüberschuss vom Akkumulator (6) – Zwischenkreis entsprechend schnell über das Ladeelement (3) zu übernehmen. Der +-Pol des Eingangskondensators (1A) ist mit dem +-Pol des Akkumulators (6) über ein Ladeelement (3) verbunden. Die Spannung auf dem Eingangskondensator (1A) wird möglich niedrig vom Regler gehalten um eine Überspannung-Ladungsüberschuss am Akkumulator (6) eventuell am ZK über das Ladeelement (3) schnell abführen zu können. Die Funktion des Kondensatormoduls eventuell deaktiviert wird, damit dass der Eingangskondensator (1A) über das Ladeelement (3) mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet wird und der Kondensator als parallel zu dem Akkumulator (6) angeschlossene Kapazität dient. Eventuell weiter wir die Energiequelle – der Akkumulators (6) vom Last-Zwischenkreis über ein von der ZK/AMS-Einheit (17) gesteuerten Schaltelement (20) getrennt und dann der Eingangskondensator (1A), die diode (14) und die Sammlungsinduktivität (13) als Filter dienen.
5. Kondensatormodul mit Boost-DC-DC-Wandler zur Beschleunigung des Entladevorgangs eines Akkumulators, eventuell eines Zwischenkreises ist damit gekennzeichnet, dass zu der dessen +Pole über eine, in Reihe angeschlossene, Diode (14) und die Sammlungsinduktivität (13) direkt oder eventuell über Ladeelement (3) und gleichzeitig über Entladeelement (2) mit dem +Pol des Akkumulators verbunden ist. Ein Pol des Schaltelementes (15) ist zwischen der Sammlungsinduktivität (13) und Anode der Diode (14) angeschlossen; der zweite Pol des Schaltelementes (15) ist mit –Pol des Ausgangskondensators (1B) und –Pol des Akkumulators und –Pol des notwendigen Reglers verbunden. Wie beim Standard-Boost-Wandler steuert der Regler PWM-mäßig das Schaltelement (15) über seinen Steuereingang eventuell Gate so, dass eine hoher Spannung Ucb > Uzk (Ladungsüberschuss, Energiereserve) auf dem Ausgangskondensators (1B) gebildet wird um eine schnelle Leistung/Stromanforderung an ZK-Zwischenkreis, eventuell Akkumulator (6), bei kleiner Unterspannung und/oder bei steiler fallenden Flanke und/oder einer Energieanforderung, vom Ausgangskondensators (1B) über das Entladeelement (2) an ZK entsprechend schnell überführen zu können. Die Funktion des Kondensatormoduls eventuell deaktiviert wird, damit dass der Ausgangskondensator (1B) über das Entladenelement (2) mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet wird und als parallel angeschlossene Kapazität zu dem Akkumulator (6) dient. Eventuell weiter wird die Energiequelle der Akkumulators (6) vom Last-Zwischenkreis über ein von der ZK/AMS-Einheit (17) gesteuerten Schaltelement (20) getrennt und dann der Ausgangskondensators (1B), die Diode (14) und die Sammlungsinduktivität (13) als Filter denen.
6. Kondensatormodul nach Anspruch 1 bis 5 ist damit gekennzeichnet, dass der Kondensatormodul diskret aufgebaut ist und die Steuerungseingänge des Ladeelements (3), des Entladenelements (2) und des langsamen Entladenelements (4) mit der Ausgängen der eigenen Spannungskomparatoren (5) eventuell mit einer Hysteresis angeschlossen und gesteuert sind, wobei die Differenz-Eingänge der Spannungskomparatoren (5) immer zwischen +Pol des Akkumulators (6) und +Pol des Kondensators (1) oder eventuell +Pol des Eingangskondensators (1A), oder +Pol des Ausgangskondensators (1B) angeschlossen sind. Die Spannungsdifferenz an der einzelnen Komparatoren (5) und/oder die Steilheit der Spannungsflanken +Uzk (Ub) und/oder die dynamischen Anforderungen an +Uzk (+Ub) bestimmen, bei welchen Spannung +Uzk, +Ub Akkumulator (6), +Uc Kondensator (1) und mit welcher Verzögerung die einzelne – Ladevorgang und Entlade-Vorgang und langsame Entlade-Vorgang aktiviert werden.
7. Kondensatormodul nach Anspruch 1 bis 6 ist damit gekennzeichnet, dass die Funktion des Reglers in der ZK/AMS-Einheit (17), eine Einheit des Zwischenkreis/Akkumulator Management Systems implementiert ist und die einzelne Elemente – das Schaltelement (15) das Ladeelement (3), das Entladeelement (2) und eventuell das langsame Entladenelement (4) von der ZK/AMS-Einheit (17), über die entsprechende Steuerungseingänge gesteuert werden. Die Funktion der ZK/AMS-Einheit (17) liegt in der Daueraufnahme der Spannungen aus dem Zwischenkreis +Uzk, des Akkumulators (6) einschließlich der Steilheit der steigenden/fallenden Flanken, je nach Beschaltung, die Spannungen aus dem Ausgangskondensators (1B), eventuell +Uca aus dem Eingangskondensators (1A), weiter in der Auswertung der Daten und der Auswertung der dynamischen Anforderungen – direkt aus der Spannungen oder durch ein Kommunikationsbus und in der Steuerung der einzelnen Elementen – das Schaltelement (15) das Ladeelement (3), das Entladeelement (2) und eventuell das langsame Entladenelement (4) optimal (digital EIN/AUS, PWM) und damit nach Bedarf die einzelne – Ladevorgänge, Entladevorgänge und eventuell die langsame Entladevorgänge.
8. Kondensatormodul nach Anspruch 1 bis 7 ist damit gekennzeichnet, dass der Akkumulator (6) stellt ein Lithium-Ionen-Akkumulator, oder ein Blei-Akkumulator, oder ein Nicd-Akkumulator oder eine aufladbare Batterie – eine Lithium-Ionen-Batterie, oder stellt eine DC-Versorgung, oder ein DC-Bordnetz dar.
9. Kondensatormodul nach Anspruch 1 bis 8 ist damit gekennzeichnet, dass als der Kondensator (1), Eingangskondensator (1A), Ausgangskondensator (1B) – die Ultra-Cup-Kondensatoren oder/und die Folienkondensator oder/und die Elektrolytkondensatoren angewendet werden und die genannten einzelnen Kondensatoren eventuell eine Kondensator-Batterie aus zwei der mehreren Kondensatoren bilden.
10. Kondensatormodul nach Anspruch 1 bis 9 ist damit gekennzeichnet, dass das Ladeelement (3) und Entladenelement (2) nur als Zweipolen beschaltet sind und die weiter aus Dioden oder aus Überspannungsschutz-Dioden und (R)-Elementen und eventuell aus Widerständen, eventuell aus Kondensatoren, eventuell aus Induktivitäten je nach Anforderungen bestehen; und/oder dass die Ladeelemente (3), Entladenelemente (2) und die langsame Entladenelemente (4) als digitalgesteuerten aktiven Zweipolen (Ein/Aus, PWM) beschaltet sind und aus gesteuerten elektrischen/elektronischen Schalter-Relais, IGBT, MOSFET und eventuell weiter aus RC-Glied, RCL-Glied je nach Anforderungen bestehen. Als das Schaltelement (15) ist ein gesteuerter elektronischer Halbleiter-Schalter, ein Transistor IGBT, MOSFET vorgesehen.
11. Kondensatormodul nach Anspruch 1 bis 10 ist damit gekennzeichnet, dass bloß ein Element entweder das Ladeelement (3) oder das Entladeelement (2) übernimmt die Funktion und der beiden einzelne Elementen des Ladeelementes (3) und das Entladeelementes (2) und eventuell auch des langsamen Entladenelementes (4).
12. Energiemanagementsystem eines Zwischenkreises mit Kondensatormodulen, ist damit gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Kondensatormodulen (11) mit zwei – mit dem Eingangskondensator (1A) und dem Ausgangskondensator (1B), und/oder ein oder mehrere Kondensatormodulen (11) mit einem Kondensator – mit dem Kondensator (1), Eingangskondensator (1A) oder mit dem Ausgangskondensator (1B), parallel auf dem Zwischenkreis, eventuell parallel zu dem Akkumulator (6) oder DC-Bordnetz, beschaltet werden und von der ZK/AMS-Einheit (17) gesteuert werden, so dass nach bedarf ein oder mehrere Eingangskondensatoren (1A) leer gesteuert werden (Uca =<< Uzk) und ein oder mehrere Ausgangskondensatoren (1B), mit Überspannung-Energieüberschuss (Ucb >= Uzk) gesteuert werden. Die leere Eingangskondensatoren (1A) werden damit vorbereiten um eine Überspannung (Energieüberschuss) auf dem ZK über die Ladeelemente (3), bei kleiner Überspannung und/oder bei steiler Flanke und/oder einer Anforderung, aufzunehmen und umgekehrt die Ausgangskondensatoren (1B) werden damit vorbereiten ein schneller Energiebedarf dem ZK über die Entladenelemente (2), bei kleiner Unterspannung und/oder bei steiler fallenden Flanke und/oder einer Energieanforderung, abzugeben, um ein Spannungszusammenbruch des ZK zu verhindern. Der einen oder mehreren Kondensatormodulen (11) und die die einzelne – Ladevorgänge, Entladevorgänge und eventuell die langsame Entladevorgange werden von der ZK/AMS-Einheit (17) (Zwischenkreis/Akkumulator-Managementsystem) optimal je nach Bedarf und je nach der Auswertung der Spannungsverhaltnissen am ZK, Akkumulator (6), je nach dynamischen Strom/Leistungsanforderungen eventuell aus einem Kommunikationsbus, gesteuert. Die Funktion des Kondensatormodulen eventuell gewisse Zeit deaktiviert werden, damit dass die Eingangskondensator (1A), die Ausgangskondensatoren (1B) mit dem +Pol gewisse Zeit geschaltet werden und dann die beide Kondensatoren als parallel zu dem Akkumulator (6) angeschlossene Kapazität dienen. Eventuell weiter wird die Energiequelle – der Akkumulators (6) vom Last-Zwischenkreis über ein von der ZK/AMS-Einheit (17) gesteuerten Schaltelement (20) getrennt und dann die Kondensatoren-Eingangskondensatoren (1A), Ausgangskondensatoren (1B), die Dioden (14) und die Sammlungsinduktivitäten (13) als Filter dienen.
13. Das Kondensatormodul und das Energiemanagementsystem eines Zwischenkreises mit Kondensatormodulen nach Anspruch 1 bis 12, ist damit gekennzeichnet, dass das Kondensatormodul und das Energiemanagementsystem eines Zwischenkreises mit Kondensatormodulen unter zwei Akkumulatoren, eventuell 2 DC-Bordnetzen betrieben werden, wobei das ein oder mehrere Kondensatormodulen (11) mit zwei – mit dem Eingangskondensator (1A) und dem Ausgangskondensator (1B), und/oder ein oder mehrere Kondensatormodulen (11) mit einem Kondensator – mit dem Kondensator (1), Eingangskondensator (1A) oder mit dem Ausgangskondensator (1B) von einem 2. Akkumulator (18), eventuell 2. Bordnetz gespeist werden und die eigene Eingänge an dem +Pol des 2. Akkumulators (18), eventuell 2. DC-Bordnetzes angeschlossen werden.
14. Überspannungsschutz mit einem Kondensator, ist damit gekennzeichnet, dass ein Pol eines Überspannungselements (8) ist mit dem +Pol Akkumulator (6) und eventuell +Pol des Zwischenkreises verbunden und der andere Pol des Überspannungselements (8) über eine Diode (16) in leitender Richtung mit dem +Pol des Kondensators (1) und gleichzeitig über ein Widerstand (12) mit de –Pol der Batterie und –Pol des Kondensators (1). Sobald auf der Akkumulator (6) und Zwischenkreis ein Ladungsüberschuss, mit der Überspannung verbunden, entsteht wird das Überspannungselement (8) über den Widerstand (12) aktiviert – geöffnet und der Ladungsüberschuss wird über die Diode (16) in den Kondensators (1) abgeführt. Diese Ladung ist weiter über ein Entladenelement (2) und/oder eventuell mit langsamem Entladenelement (4) in den Akkumulator (6) übertragen.
15. Das Kondensatormodul und das Energiemanagementsystem nach Anspruch 1 bis 14, ist damit gekennzeichnet, dass eventuell nach Bedarf der Topologie die Steuerungseingänge der Ladeelementen (3) oder der Entladeelementen (2) oder der langsamen Entladenelementen (4), Differenz-Eingänge und Ausgänge der Spannungskomparatoren (5) und eventuell weiter die Eingänge und die Ausgänge der ZK/AMS-Einheit (17) galvanisch getrennt sind.

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