DE102011113233A1

DE102011113233A1 - Method for charging and discharging capacitor block used in flashlight for e.g. household application, involves connecting capacitor blocks in cascade arrangement, and charging and discharging capacitor blocks continuously

Info

Publication number: DE102011113233A1
Application number: DE102011113233A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-07
Also published as: DE202011110005U1

Abstract

The method involves providing each capacitor in capacitor block for storing electrical energy, and connecting the capacitor blocks in cascade arrangement to form a block chain. The number of the connected capacitor blocks is unlimited, and the block chain is always expanded with new capacitor blocks. The capacitor blocks in the chain are individually, successively, and continuously charged and the energy stored in the capacitor blocks is discharged together.

Description

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

In den letzten Jahrzehnten hat die Speicherkapazität des Speicherkondensators erstaunliche Fortschritte erzielt. Heute ist der sogenannte Superkondensator mit Speicherkapazität von einigen tausenden Farad und verhältnismäßigen kleinen Volumen kommerziell erhältlich. Es ist leicht vorauszusehen, dass mit immer sich erweiternden Anwendungsmöglichkeiten die Herstellungskosten des Superkondensators noch weiter reduziert werden können, ähnlich wie der Fall der Bauteile von Integrierte-Schaltungen in der PC-Industrie.In recent decades, the storage capacity of the storage capacitor has made amazing progress. Today, the so-called supercapacitor with storage capacity of a few thousand Farad and relatively small volumes is commercially available. It is easy to foresee that with ever-widening applications, the manufacturing cost of the supercapacitor can be further reduced, much like the case of integrated circuit components in the PC industry.

Die Anwendungen des Speicherkondensators als Energiespeicher haben viele Vorteile gegenüber den herkömmlichen Batterien und wiederaufladbaren Akkumulatoren. Der Kondensator hat weniges Gewicht und die verwendeten Rohstoffe für die industrielle Herstellung sind umweltfreundlich, kostengünstig und in großer Menge vorhanden. Der Kondensator hat eine lange Lebensdauer, eine große Anzahl von Lade- und Entladezyklen, und eine hohe Leistungsdichte, d. h. der Kondensator kann mit sehr hoher Leistung geladen und entladen werden. Die Vorgänge zum Laden und Entladen eines Kondensators sind einfach steuerbar. Aus diesen Gründen ist der Anwendungsbereich des Speicherkondensators für Energiespeicherung groß und vielfältig, von z. B. Taschenlampen im normalen Haushalt bis hin zu Automobilen mit hybrid getriebenen Motoren. Die sich immer mehr erweiternden Anwendungsmöglichkeiten des Speicherkondensators werden ständig neuen Impuls dafür geben, dass dessen Entwicklung und Herstellung immer wieder nach vorne getrieben werden.The applications of the storage capacitor as energy storage have many advantages over the conventional batteries and rechargeable batteries. The capacitor has little weight and the raw materials used for industrial production are environmentally friendly, inexpensive and available in large quantities. The capacitor has a long life, a large number of charge and discharge cycles, and a high power density, i. H. The capacitor can be charged and discharged with very high power. The processes for charging and discharging a capacitor are easily controllable. For these reasons, the scope of the storage capacitor for energy storage is large and diverse, from z. As flashlights in the normal household up to automobiles with hybrid driven engines. The ever-widening applications of the storage capacitor will constantly give new impetus that its development and production are driven forward again and again.

Mit dem Fortschritt in der Forschung und Entwicklung des Speicherkondensators zur Erhöhung der Betriebsspannung, der Volumenkapazität (Energiedichte), zur Reduzierung der internen elektrischen Widerstände bzw. der Energiekriechverluste und zur Erweiterung des Betriebsbereichs der Temperaturabhängigkeit wird der Trend allgemein deutlich, dass der Speicherkondensator als Energiespeicher immer mehr Beachtung finden wird, zudem man seit langem nach sauberer Energie sowohl für die Industrie als auch für den normalen Haushalte sucht.With the progress in research and development of the storage capacitor to increase the operating voltage, the volume capacity (energy density), to reduce the internal electrical resistances or energy creepage losses and to expand the operating range of the temperature dependence, the trend is generally clear that the storage capacitor as energy storage always more attention has been paid to clean energy for both industry and normal households.

Die Kapazität und die Betriebsspannung eines Kondensators sind zwei wichtige Parameter für die Energiespeicherung. Die beide Parameter stellen eine Begrenzung dar, die die Menge der gespeicherten Energie bestimmt.The capacitance and operating voltage of a capacitor are two important parameters for energy storage. Both parameters represent a limit that determines the amount of stored energy.

Zum Beispiel steht die Kapazität eines Plattkondensators immer in einem umgekehrten Verhältnis zu seiner Betriebsspannung. Die gespeicherte Energie in solchem Kondensator kann mit der Gleichung E = 1/2·C·V^2 beschrieben werden. Um möglich viel Energie zu speichern, soll die Betriebsspannung möglich hoch sein. Aber die Betriebsspannung ist durch die Isolierungseigenschaft der verwendeten dielektrischen Stoffe begrenzt. Weil dielektrische Stoffe mit guter Isolierungseigenschaft in der Natur sehr begrenzt vorhanden ist, ist deren Gewinnung und Herstellung sehr aufwendig. Die hohe Betriebsspannung ist auch in manchen Anwendungsbereichen nicht geeignet, wo die Betriebssicherheit für Menschen im Vordergrund steht.For example, the capacitance of a plate capacitor is always in inverse proportion to its operating voltage. The stored energy in such capacitor can be described by the equation E = 1/2 * C * V ^ 2. To save as much energy as possible, the operating voltage should be high. But the operating voltage is limited by the insulating property of the dielectric materials used. Because dielectric materials with good insulating properties are very limited in nature, their extraction and production is very expensive. The high operating voltage is not suitable in some applications, where the operational safety for people is in the foreground.

Eine andere Möglichkeit zum Energiespeichern in großer Menge ist die Erhöhung der Kapazität des Kondensators. in den letzten Jahrzehnten haben die Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet große Fortschritte erzielt. Eine führende Firma in dieser Branche ist Maxwell Inc. in USA, wo die sogenannten Superkondensatoren mit mehr als 3000 Farad und 2,7 V Betriebsspannung produziert worden sind. Auf dem Weltmarkt kann man auch stückweise den sogenannten Goldcap Kondensator mit einer Kapazität von mehr als 5000 Farad kaufen. Es existieren auch viele wissenschaftliche Forschungsberichte, in denen beispielsweise das Nano und elektrisch-chemische Verfahren beschrieben wurde, mit dem eine maximale Kapazität von 143 Farad/g erzielt werden kann.Another way to store energy in large quantities is to increase the capacity of the capacitor. In recent decades, research and development in this area has made great progress. A leading company in this industry is Maxwell Inc. in the USA, where the so-called supercapacitors with more than 3000 Farad and 2.7 V operating voltage have been produced. On the world market one can also buy piecewise the so-called Goldcap capacitor with a capacity of more than 5000 Farad. There are also many scientific research reports describing, for example, the nano and electrochemical processes, with which a maximum capacity of 143 farads / g can be achieved.

Aufgrund der oben genannten Fakten ist es ersichtlich, dass die möglichen Anwendungen von Speicherkondensatoren als Energiespeicher immer mehr realistischer und praktischer geworden sind. Ihre Zukunft wird noch mehr attraktiver.From the above facts, it can be seen that the potential applications of storage capacitors as energy storage devices have become more and more realistic and practical. Your future will be even more attractive.

Es ist offensichtlich, dass nur ein Kondensator nicht genügend Energie für eine vernünftige praktische Anwendung speichern kann. Der Energiebedarf für einen normalen Haushalt kann von einer Taschenlampe mit 1 Watt bis hin zu einem PKW mit leistungsstarken Motor von einigen Hunderten von Kilowatt reichen. Aus diesem Grund ist es nötig, dass viele Kondensatoren an einander angeschlossen werden, um den unterschiedlichen Bedarf an Energie zu rechtfertigen. Mögliche Schaltvariante ist entweder die parallele oder serielle Schaltung, oder eine bestimmte gemischte Konstellation von den beiden.It is obvious that only one capacitor can not store enough energy for a reasonable practical application. The energy requirements for a normal household can range from a 1 watt flashlight to a car with powerful motor of several hundreds of kilowatts. For this reason, it is necessary that many capacitors be connected to each other to justify the different demand for energy. Possible switching variant is either the parallel or serial circuit, or a certain mixed constellation of the two.

In einer parallelen Schaltung kann man größere Speicherkapazität bekommen, aber die Betriebsspannung ist niedrig. Und in einer seriellen Schaltung ist es umgekehrt. Für eine gemischte Schaltung mit großer Anzahl von Kondensatoren ist es notwendig, beim Laden, Entladen oder bei unterschiedlicher Verbrauchslast die Schaltungskonfiguration so zu verändern, um den optimalen Betriebszustand zu erhalten, sogar in Echtzeit.In a parallel circuit, you can get larger storage capacity, but the operating voltage is low. And in a serial circuit, it's the other way round. For a mixed circuit with a large number of capacitors, it is necessary to change the circuit configuration during charging, discharging or different consumption load so as to obtain the optimum operating state, even in real time.

Es gibt viele Beiträge in dieser Hinsicht, z. B. wird in dem Patent WO127377 A1 beschrieben, wie man viele Schalter gleichzeitig für eine optimale Schaltkonfiguration betätigen kann, oder in dem Patent WO002001003302A1 wird beschrieben, wie man unter in einem Array zusammengeschlossenen Kondensatoren eine optimale Ausgeglichenheit verwirklichen kann, oder wie man mit einen defekten oder verschlechterten Kondensator umgehen soll und bei Betriebsunfall eine Ausfallsicherung erreichen kann, usw. There are many contributions in this regard, eg. B. is in the patent WO127377 A1 described how to operate many switches simultaneously for optimum switching configuration, or in the patent WO002001003302A1 describes how to achieve optimal balance among capacitors combined in an array, or how to deal with a faulty or degraded capacitor and achieve fail-safe in the event of an industrial accident, etc.

Zusätzlich wird es immer gewünscht, die Ladezeit möglich kurz und gleichzeitig die Entladenzeit möglich lange zu halten. Kurze Ladezeit ist prinzipiell ein beachtenswerter Vorteil vom Kondensator gegenüber der aufladbaren Batterie, deren Ladezeit von zeitaufwendigen chemischen Reaktionen abhängig ist. Da der Superkondensator niedrige Betriebsspannung hat, kann man den nur mit starkem elektrischem Strom niedrige Spannung laden. Wenn man mit hoher elektrischer Leistung. d. h. mit hoher Spannung und starkem Strom den Superkondensator lädt, um die Ladezeit zu kürzen, ist es eine praktische Überlegung, alle Kondensatoren in Serie miteinander zu schalten und dann mit hoher Leistung zu laden, nämlich mit hoher Spannung und mit starker Strom.In addition, it is always desired to keep the charging time short and at the same time the discharge time possible long. Short charging time is in principle a noteworthy advantage of the capacitor over the rechargeable battery, the charging time of which depends on time-consuming chemical reactions. Since the supercapacitor has low operating voltage, one can charge the voltage low only with strong electric current. When you have high electrical power. d. H. With high voltage and high current charging the supercapacitor to reduce the charging time, it is a practical consideration to connect all capacitors in series with one another and then charge them at high power, high voltage and high current.

Nach dem Laden schaltet man alle Kondensatoren in Parallel für Entladung. Dabei ist es wichtig zu vermeiden, dass es negative Einflüsse auf die Funktionalität der gesamten Einrichtung haben könnte, falls ein Kondensator inzwischen defekt oder verschlechtert ist. Daher muss man in den praktischen Anwendungen versuchen eine Methode zu entwickeln, möglich viele Kondensatoren miteinander zu verbinden (in Kaskadenanordnung, unbegrenzt), die Ladezeit so kurz wie möglich zu reduzieren und so viel Energiespeicherungskapazität wie möglich für Verbraucher zur Verfügung zu stellen, unabhängig vom Defekt bzw. der Verschlechterung einiger Kondensatoren.After charging, all capacitors are switched in parallel for discharge. It is important to avoid that it could have negative effects on the functionality of the entire device, if a capacitor is now defective or deteriorated. Therefore, in practical applications, it is necessary to try to develop a method of connecting many capacitors together (in cascade, unlimited), reducing the charging time as short as possible, and providing as much energy storage capacity as possible to consumers, regardless of the defect or the deterioration of some capacitors.

Nur so kann diese Methode in den praktischen Anwendungen eingesetzt werden und gleichzeitig wird es ermöglicht, neue Kondensatoren, die durch die fortschreitende Entwicklung und neue Technik hergestellt werden können, ins etablierte System, d. h. in die vorhandenen Kondensator-Block-Ketten zu integrieren.Only in this way can this method be used in practical applications and at the same time it makes it possible to introduce new capacitors, which can be produced by the progressive development and new technology, into the established system, i. H. to integrate into the existing capacitor block chains.

Mit der vorliegenden Erfindung ist dieses neue Verfahren entwickelt worden, welches die oben genannten Merkmale mit relativ einfachem Konzept und schlichten Schaltungen realisiert.With the present invention, this new method has been developed, which realizes the above-mentioned features with a relatively simple concept and simple circuits.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Bei der Erfindung handelt es sich um ein neues Ladeverfahren zum Laden von vielen Kondensatoren, den miteinander in Form von einer Kette verbunden sind, zum Zweck der elektrischen Energiespeicherung. Die Kondensatoren, die nur niedrigere Betriebsspannung erlauben, mit hoher elektrischer Leistung, d. h. mit hoher Spannung und hohem Strom zu laden, ist mit dieser Erfindung möglich. Zum Beginn des Ladevorgangs ist die Spannung zwischen den Klemmen des ersten Kondensators im ersten Block null. Die Spannung steigt mit der Zeit langsam an und deren Steigerungsrate ist nur vom Ladestrom, nicht von der Höhe der Ladespannung abhängig. Wenn die Spannung die zulässige Betriebsspannung des Kondensators erreicht, muss die Ladequelle ausgeschaltet werden, ansonsten kann der Kondensator überladen und zerstört werden. Erst dann wird ein Signal synchron generiert, um den Ladevorgang des Kondensators im zweiten Block auszulösen. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis der Kondensator im letzten Block völlig geladen ist. Mathematisch kann es bewiesen werden, dass mit dieser Methode die Ladezeit für die gleiche Menge der Energie ungefähr gleich ist wie die Ladezeit, die benötigt wird, wenn alle Kondensatoren seriell angeschlossenen und dann mit gleicher Ladeleistung geladenen werden. Ein Vorteil dieser Methode liegt darin, dass keine Einheitlichkeit aller Kondensatoren notwendig ist, daher gibt es keine Probleme mit der Ausgeglichenheit der Kondensatoren während des Ladens und Entladens der Kondensatoren. Das bedeutet, dass alle Kondensatoren in der Kette können sehr unterschiedliche Kapazitäten haben und können trotzdem voll aufgeladen werden. Im Gegensatz dazu wird die Energie in jedem geladenen Kondensator in serieller Schaltung nur von dem Kondensator der kleinsten Kapazität bestimmt.The invention is a new charging method for charging many capacitors connected together in the form of a chain for the purpose of electrical energy storage. The capacitors, which allow only lower operating voltage, with high electrical power, d. H. charging with high voltage and high current is possible with this invention. At the beginning of the charging process, the voltage between the terminals of the first capacitor in the first block is zero. The voltage rises slowly over time and its rate of increase depends only on the charging current, not on the level of the charging voltage. When the voltage reaches the permissible operating voltage of the capacitor, the charging source must be switched off, otherwise the capacitor can be overloaded and destroyed. Only then is a signal synchronously generated in order to trigger the charging process of the capacitor in the second block. This process continues until the capacitor in the last block is fully charged. Mathematically, it can be proved that with this method, the charging time for the same amount of energy is about the same as the charging time required when all the capacitors are connected in series and then charged with the same charging power. An advantage of this method is that no uniformity of all capacitors is necessary, so there are no problems with the balance of the capacitors during charging and discharging of the capacitors. This means that all capacitors in the chain can have very different capacities and still be fully charged. In contrast, the energy in each charged capacitor is determined in series only by the capacitor of smallest capacity.

Diese Kette für Energiespeicherung besteht aus vielen Kondensator-Blöcken. Jeder Kondensator-Block hat im Prinzip die gleiche Schaltung und Funktionalität und die gleichen Schnittstellen des Eingangs und des Ausgangs. Alle Kondensator-Blöcke können durch identische Schnittstellen in einer Kaskade-Anordnung miteinander verbunden werden. Jeder Kondensator-Block kann an jeder Stelle in die Kette integriert werden und der kann auch durch einen anderen Block ersetzt werden. Ein neue Kondensator-Block kann am Ende der Kette oder zwischen den bestehenden Kondensator-Blöcken in der Kette angeschlossen werden. Die Anzahl der Kondensator-Blöcke in der Kette ist theoretisch unbegrenzt und praktisch immer erweiterbar. Dies bedeutet, dass die elektrische Energie so viel wie möglich gespeichert werden kann. Wenn ein Kondensator-Block defekt oder dessen Eigenschaft verschlechtert ist, kann er, ohne nachteilige Wirkung auf die gesamte Kette, leicht erkannt, herausgenommen und ersetzt werden, sogar auch während des Vorgangs des Ladens und Entladens. Die Kette ist auch einfach zum Laden. Die Ladezeit kann durch erhöhte Ladeleistung, d. h. durch die Erhöhung der Ladespannung und des Ladestroms, reduziert werden. Die hohe Ladespannung dient nur dazu, den Ladestrom zu erhöhen, die Ladezeit zu kürzen. Die Kondensatoren mit niedriger Betriebsspannung können dadurch nicht zerstört werden.This chain for energy storage consists of many capacitor blocks. Each capacitor block has in principle the same circuit and functionality and the same interfaces of the input and the output. All capacitor blocks can be interconnected by identical interfaces in a cascade arrangement. Each capacitor block can be integrated at any point in the chain and can also be replaced by another block. A new capacitor block can be connected at the end of the chain or between the existing capacitor blocks in the chain. The number of capacitor blocks in the chain is theoretically unlimited and practically always expandable. This means that the electrical energy can be stored as much as possible. If a capacitor block is defective or its property is deteriorated, it can be easily recognized, removed and replaced without adversely affecting the entire chain, even during the charging and discharging process. The necklace is also easy to load. The charging time can be reduced by increased charging power, ie by increasing the charging voltage and the charging current. The high charging voltage only serves to increase the charging current, to reduce the charging time. The capacitors with low operating voltage can not be destroyed by this.

Prinzip des Betriebs: Jeder Kondensator-Block besteht aus einem Kondensator für Speicherung der elektrischen Energie, einem Relais oder Thyristor als steuerbarem Schalter und Peripherieschaltungen für Kontrolle- und Schutzfunktionen. Es gibt nur zwei Betriebsarten: Laden und Entladen. Im Ladebetrieb fließt der elektrische Strom von der Ladequelle durch den Schalter (n), der im EIN-Zustand ist, in den Kondensator des Blocks (n) hinein. Als die elektrische Spannung über Klemme des Kondensators den vorgegebenen Wert erreicht hat, schaltet der Schalter (n) aus, im AUS-Zustand, um den Ladestrom abzukappen. Gleichzeitig versetzt der Schalter (n) über Schnittstelle den Schalter (n-1) in den EIN-Zustand im nächsten Block(n-1), und beginnt den Ladevorgang des Kondensators im Block (n–1), und so weiter und so fort. Dieser Prozess wird solange fortlaufen, bis alle Kondensatoren in der Kette völlig geladen worden sind. Im Entladebetrieb sind alle Kondensatoren im Prinzip parallel geschaltet. Zwei Rücken an Rücken geschaltete Dioden leiten den Entladenstrom in der Richtung des Verbrauchers und verhindern den Kreuzfluss der elektrischen Ströme zwischen Kondensatoren.Principle of operation: Each capacitor block consists of a capacitor for storage of electrical energy, a relay or thyristor as a controllable switch and peripheral circuits for control and protection functions. There are only two modes of operation: loading and unloading. In the charging operation, the electric current flows from the charging source through the switch (n), which is in the ON state, into the capacitor of the block (s). When the voltage across the terminal of the capacitor has reached the predetermined value, the switch (s) turns off, in the off state, to cut off the charging current. At the same time, the switch (s) over-connects the switch (n-1) to the ON state in the next block (n-1), and starts the charging of the capacitor in the block (n-1), and so on , This process will continue until all capacitors in the chain have been fully charged. In discharge mode, all capacitors are in principle connected in parallel. Two back-to-back diodes direct the discharge current in the direction of the load and prevent cross-flow of electrical currents between capacitors.

Mit diesem Ladeverfahren ist es nicht nötig, dass alle Kondensatoren in der Kette homolog (gleichartig) sein müssen. Große Kondensatoren halten mehr elektrische Energie und haben eine längere Ladezeit, kleine Kondensatoren halten wenig elektrische Energie und haben kürzere Ladezeit. Mit einfachen Erkennung- und Regelungsschaltungen kann dieses Ladeverfahren ausfallsicher sein, was für die Anwendungssicherheit wichtig ist.With this charging method, it is not necessary that all capacitors in the chain must be homologous. Large capacitors hold more electrical energy and have a longer charging time, small capacitors hold little electrical energy and have shorter charging time. With simple detection and control circuitry, this charging process can be fail-safe, which is important for application security.

Weitere wichtige Merkmale dieses Ladeverfahrens sind auch die Möglichkeit der einfachen Einführung eines neuen Kondensators, der größere Kapazität hat, und neues steuerbaren Schalterelements, das eine höhere elektrische Leistung und elektrische Festigkeit hat, in die bestehende Kette. Mit der fortschreitenden Entwicklung in den Bereichen des Super-Kondensators und des Thyristors lassen sich sie problemlos in die Kette durch identische Schnittstellen integrieren, ohne wirkliche Berührung des anderen Kondensator-Blocks.Other important features of this charging method are the possibility of simply introducing a new capacitor, which has greater capacity, and a new controllable switch element, which has a higher electrical performance and electrical strength, in the existing chain. As the super capacitor and thyristor regions progress, they can be easily integrated into the chain through identical interfaces, with no real contact with the other capacitor block.

Neu entwickelte Thyristoren mit höherer Schaltleistung führen zu weiterer Verkürzung der Ladezeit. Z. B. wenn die Ladeleistung in Megawatt und Entladeleistung in Kilowatt sind, ist das Verhältnis der Lade- und Entladezeit 1:1000. Mit diesem Ladeverfahren wird eine neue Möglichkeit für Anwendung von Superkondensatoren als Energiespeicher eröffnet.Newly developed thyristors with higher switching power lead to further shortening of the charging time. For example, when the charging power is in megawatts and the discharging power is in kilowatts, the ratio of charging and discharging time is 1: 1000. This charging process opens up a new possibility for the application of supercapacitors as energy storage.

Detaillierte Beschreibung anhand der ZeichnungDetailed description based on the drawing

Auf der Zeichnung werden zur Illustration nur drei Kondensator-Blöcke gezeigt, weil die sonstigen kaskadiert angeschlossenen Kondensator-Blöcke in der Kette die identische Konfiguration, Struktur und Schnittstellen haben. Wie zum Beispiel hat der Kondensator-Block (n) einen Kondensator Cn, der elektrische Energie speichert, ein steuerbares Schalterelement Sn, das während der Ladens EIN-Zustand und während des Entladens AUS-Zustand nimmt, eine Steuerschaltung Kn und eine Spannung-Vergleichsschaltung Vn. Zu Beginn des Ladens sind alle Schalterelemente S1, S2...Sn, ... usw. in der Kette im AUS-Zustand. Alle Signalleitungen K1_b, K2_b, Kn_b, ... sind im Zustand ”logisch 0”. Wenn die Ladequelle angeschlossen ist, gibt die Signalleitung ”Start”, K1_b, ein Signal ”logisch 1” an K1. K1 steuert das Schalterelement S1 und versetzt es in EIN-Zustand. Nun ist der Kondensator C1 mit der Ladequelle verbunden und fängt an, geladen zu werden. Wenn die Spannung an den Klemmen des Kondensators C1 den vorgegebenen Wert, der durch Vergleichsschaltung V1 definiert wird, erreicht, gibt V1 ein Signal ”logisch 0” an K1 und versetzt das Schalterelement S1 in AUS-Zustand, um die Überladung des Kondensators C1 zu vermeiden. Nun ist die C1 vollständig geladen und wird von der Ladequelle getrennt. Zum gleichen Zeitpunkt gibt V1 ein Signal ”logisch 1” an K2_b und versetzt das Schalterelement S2 in Kondensator-Block 2 in EIN-Zustand. Nun ist die Ladequelle mit Kondensator C2 verbunden worden und fängt damit an, C2 zu laden. Der Ladenvorgang für den Kondensator-Block 2 ist gleich wie der Ladevorgang für Kondensator Block 1. Nach C2 vorständig geladen ist, läuft der gleiche Ladevorgang in Kondensator Block 3, und danach in Kondensator Block 4 und Kondensator Block n... so weiter, bis alle Kondensator-Blöcke in der Kette geladen sind oder nur teilweise geladen sind, falls der Ladevorgang inzwischen unterbrochen wird.By way of illustration only three capacitor blocks are shown in the drawing, because the other cascaded capacitor blocks in the chain have the identical configuration, structure and interfaces. For example, the capacitor block (n) has a capacitor Cn that stores electric power, a controllable switch element Sn that turns off during charging and off during the charging, a control circuit Kn, and a voltage comparison circuit Vn At the beginning of charging, all the switch elements S1, S2 ... Sn, ..., etc. in the chain are in the OFF state. All signal lines K1_b, K2_b, Kn_b, ... are in the state "logical 0". When the charging source is connected, the signal line "Start", K1_b, gives a signal "logical 1" to K1. K1 controls the switch element S1 and puts it in ON state. Now, the capacitor C1 is connected to the charging source and starts to be charged. When the voltage at the terminals of the capacitor C1 reaches the predetermined value defined by comparator circuit V1, V1 outputs a signal "logic 0" to K1 and puts the switch element S1 in the OFF state to avoid the overcharge of the capacitor C1 , Now the C1 is fully charged and disconnected from the charging source. At the same time V1 outputs a signal "logic 1" to K2_b and puts the switch element S2 in capacitor block 2 in the ON state. Now the charging source has been connected to capacitor C2 and starts to charge C2. The charging process for the capacitor block 2 is the same as the charging process for the capacitor block 1. After C2 is charged properly, the same charging process in capacitor block 3, and then in capacitor block 4 and capacitor block n ... so on, until all capacitor blocks in the chain are charged or only partially charged if the charging process is now interrupted.

Ein Überwachungs- und Steuermechanismus Vn in Kondensator-Block n dient als Monitor für die Überwachung und Steuerung des Ladevorgangs, für die Fälle, dass der Kondensator normal, teilweise oder nicht geladen werden kann, beispielweise wenn der Kondensator gebrochen ist oder einen Kurzschluss hat. Wenn ein Kondensator Cn defekt und von Vn erkannt worden ist, wird dieser Kondensator-Block übersprungen werden, und der Anschluss der Ladequelle zum nächsten Kondensator Block ohne Zeitverlust umgeleitet wird. Kondensatoren in Blöcken können sehr unterschiedliche Kapazitäten haben. Da der Ladevorgang vom Überwachungs- und Steuermechanismus Vn überwacht und gesteuert wird, wird kein Kondensator unzureichend geladen oder überladen. Die Ladezeit für den jeweiligen Kondensator-Block ist nur linear von dessen Kapazität abhängig. Große Kapazitäten brauchen mehr Ladezeit und umgekehrt. Die Ladezeit kann weiterhin reduziert werden, wenn die Leistung der Ladequelle oder die elektrische Festigkeit des Schalterelements sich erhöhen.A monitoring and control mechanism Vn in capacitor block n serves as a monitor for monitoring and controlling the charging process, in cases where the capacitor can be normally, partially or not charged, for example when the capacitor is broken or has a short circuit. If a capacitor Cn is defective and has been detected by Vn, this capacitor block will be skipped and the connection of the charging source to the next capacitor block will be diverted without loss of time. Capacitors in blocks can have very different capacities. Since the charging process is monitored and controlled by the monitoring and control mechanism Vn, no capacitor is insufficiently charged or overcharged. The charging time for the respective capacitor block is only linearly dependent on its capacity. Large capacities need more loading time and vice versa. The charging time can continue be reduced when the power of the charging source or the electrical strength of the switch element increase.

Nach dem Laden wird die Ladequelle vom Ladekreis entfernt. Nun befindet sich die Kondensator-Block-Kette im Entladen-Modus. Während des Entladens sind alle geladenen Kondensatoren in der Kette parallel miteinander durch den Schutzdioden D1, D2...Dn verbunden. Diese Dioden führen den Entladensstrom in die Richtung des Verbrauchers und gleichzeitig isolieren den geladenen Kondensator von seinem Nachbarn. So gibt es während des Entladensvorgangs fast keinen gekreuzten Stromfluss und keine Ausgleichprobleme zwischen den Kondensatoren, weil der geladenen Kondensator mit höherer Spannung zuerst als der mit niedrigerer Spannung entladen wird. Schließlich haben alle geladenen Kondensatoren die gleiche Spannung und geben ihre gespeicherte Energie gleichzeitig an den Verbraucher ab, bis die Ausgangspannung niedriger ist als Abschaltspannung der Dioden. Es ist nicht nötig zu warten, bis alle Kondensatore völlig entladen sind, bevor sie neu geladen werden können. In diesem Fall wird die Ladezeit für eine nicht völlig entladene Kondensator-Block-Kette entsprechend kürzer.After charging, the charging source is removed from the charging circuit. Now the capacitor block chain is in discharge mode. During discharging, all charged capacitors in the chain are connected in parallel with each other through the protection diodes D1, D2 ... Dn. These diodes conduct the discharge current in the direction of the load and at the same time isolate the charged capacitor from its neighbor. Thus, during the discharge process there is almost no crossed current flow and no compensation problems between the capacitors because the charged capacitor is discharged at higher voltage first than the lower voltage. Finally, all charged capacitors have the same voltage and at the same time deliver their stored energy to the load until the output voltage is lower than the cut-off voltage of the diodes. It is not necessary to wait until all the capacitors are completely discharged before they can be reloaded. In this case, the charging time for a not completely discharged capacitor block chain is correspondingly shorter.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 127377 A1 [0010]
WO 002001003302 Al [0010]

Claims

A method for charging and discharging a capacitor block chain, characterized in that the electrical energy can be stored in the capacitor block chain, each individual capacitor with its control electronic circuits forms a block in a cascade arrangement in the form a chain are connected to each other, and that the number of connected blocks is theoretically unlimited and the chain is always expandable with new blocks. It is also characterized in that the blocks in the chain can be charged individually successively with the electrical energy and the energy stored in the capacitors in the blocks can be discharged together to the consumer.

A method according to claim 1, characterized in that the capacitors need not necessarily be the same and the balancing circuits are not required, and that the operating voltage of the capacitors may be low, which is suitable for use of the super-capacitor.

A method according to claim 1, characterized in that all the blocks in the chain are in principle the same, all the blocks are interchangeable, each block can be integrated at any point in the chain without great effort, and that in case of failure of some blocks the functionality of the chain is not affected.

A method according to claim 1, characterized in that the loading of the blocks in the chain is a successive process, and that only after loading a block, a trigger signal is generated, which triggers the loading of the next block, and so it goes on until all blocks in the entire chain have been loaded.

Method according to claim 1 and claim 3, characterized in that each block consists of: a) capacitor for storing the electrical energy; b) switching element for controlling the charging process; c) state of charge detection circuit; d) circuit for controlling the switching element; e) circuitry for processing the trigger signal; f) Interfaces to the neighboring block connected before and after; g) circuits for separation of neighboring blocks during unloading and for safe operation; h) Function protection and safety circuits.

A method according to claim 1 and claim 5, characterized in that the switching element quickly disconnects the capacitor in the block when it is fully charged from the charging source, and that the charging time is shortened by the high charging current, the electrical resistance of the switching element determines the charging power , all blocks with the same high charging current can be loaded and an adjustment between the charging source and the chain is not necessary.

Method according to claim 1 and claim 5, characterized in that in one block there is an input interface which receives the trigger signal from the upstream neighbor block, and there is an output interface which forwards the trigger signal to the next neighbor block and the input interface is directly connected by a wire to the output interface of the adjacent neighboring block, and the output interface is directly connected by a wire to the input interface of the adjacent neighboring block, and that all blocks together to the lines for charging, discharging and the power supply for the control electronics in the block and connected to the earth.

A method according to claim 1 and claim 5, characterized in that in a block there is a circuit which serves to separate the capacitor from the capacitors in the neighboring blocks, and that this circuit allows the current direction only to the load and in case of failure of some capacitors Maintains the functionality of the entire chain.

A method according to claim 1 and claim 5, characterized in that the charging process can take place at any time, irrespective of the charged state of the chain, d. H. regardless of whether it is not, partially or almost completely charged, or whether it is currently in unloading to the consumer, and that after loading the chain always reaches the permitted operating voltage, regardless of whether the whole chain is fully charged or not ,

Method according to claim 1 and claim 5, characterized in that the existing chain always expands its storage capacity with new blocks, and that outdated, deteriorated or defective blocks can be taken out of the chain and replaced by new ones without much effort, and this even during the Operation of the chain, and that a memory device built by this method is an open system that can constantly grow with the new technical development and is suitable for the storage of both the permanently arising and temporary energy surplus.