DE102022110861B3 - Circuit arrangement, electrical energy store, use of a circuit arrangement and method for operating a circuit arrangement - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung (10) mit einem Superkondensator (12) und einer parallel zu dem Superkondensator (12) geschalteten Bypass-Schaltung (30), die in einem aktiven Zustand ein Aufladen des Superkondensators (12) verhindert oder begrenzt. Es ist ein von einer Steuereinheit (110) ansteuerbarer Schalter (100) vorgesehen, mittels dem die Bypass-Schaltung (30) in den aktiven Zustand versetzbar ist.Circuit arrangement (10) with a supercapacitor (12) and a bypass circuit (30) which is connected in parallel with the supercapacitor (12) and which, in an active state, prevents or limits charging of the supercapacitor (12). A switch (100) that can be actuated by a control unit (110) is provided, by means of which the bypass circuit (30) can be switched to the active state.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, einen elektrischen Energiespeicher, die Verwendung einer Schaltungsanordnung als Energiespeicher und ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung.The present invention relates to a circuit arrangement, an electrical energy store, the use of a circuit arrangement as an energy store and a method for operating a circuit arrangement.
Die Speicherung von Energie kann unter anderem durch chemische Umwandlung (bspw. bei Akkumulatoren) oder durch physikalische Prozesse (bspw. bei Kondensatoren) erfolgen.Energy can be stored, among other things, by chemical conversion (e.g. in the case of accumulators) or by physical processes (e.g. in the case of capacitors).
Kondensatoren können nach ihrer Bauart unterschieden werden. So gibt es beispielsweise Keramikkondensatoren, Kunststoff-Folienkondensatoren, Metallpapierkondensatoren und Elektrolytkondensatoren. Diese Kondensatortypen haben in der Regel eine Kapazität im Bereich von Pikofarad (pF) bis etwa 1 Farad.Capacitors can be differentiated according to their design. For example, there are ceramic capacitors, plastic film capacitors, metal paper capacitors and electrolytic capacitors. These types of capacitors typically range in capacitance from picofarads (pF) to about 1 farad.
Eine Besonderheit unter den Kondensatoren stellen sogenannte Superkondensatoren dar. Superkondensatoren können eine Kapazität im Bereich von Kilofarad oder mehr haben. Die Kapazität von Superkondensatoren ergibt sich aus zwei unterschiedlichen technischen Effekten und kann demzufolge in Doppelschicht- und Pseudokapazität gegliedert werden. Während die Doppelschichtkapazität auf einer Ladungstrennung basiert, ist die Pseudokapazität das Ergebnis von Redoxreaktionen. Im Betrieb summieren sich die Doppelschicht- und die Pseudokapazität zur Gesamtkapazität des Superkondensators.A special feature among the capacitors are the so-called supercapacitors. Supercapacitors can have a capacitance in the range of kilofarads or more. The capacitance of supercapacitors results from two different technical effects and can therefore be divided into double-layer and pseudo-capacitance. While double layer capacitance is based on charge separation, pseudocapacitance is the result of redox reactions. In operation, the double layer and pseudo capacitance add up to the total capacitance of the supercapacitor.
Eine Besonderheit von Superkondensatoren besteht in einer im Vergleich mit herkömmlichen Kondensatoren geringen Nennspannung von üblicherweise 2,4 bis 2,7 V. Zugleich sind Superkondensatoren gegenüber höheren Spannungen äußerst empfindlich. Schon eine geringe Überschreitung der Nennspannung beim Ladevorgang kann zu einer dauerhaften Schädigung des Superkondensators führen. Werden Superkondensatoren in elektronische Schaltungen eingebunden, ist es daher sinnvoll, sie vor höheren Spannungen zu schützen.A special feature of supercapacitors is their low nominal voltage of usually 2.4 to 2.7 V compared to conventional capacitors. At the same time, supercapacitors are extremely sensitive to higher voltages. Exceeding the nominal voltage even slightly during the charging process can lead to permanent damage to the supercapacitor. If supercapacitors are integrated into electronic circuits, it therefore makes sense to protect them from higher voltages.
Da bei vielen Anwendungen eine höhere Spannung als 2,7 V gewünscht ist, werden Superkondensatoren häufig in Reihe geschaltet, wodurch sich die Nennspannungen addieren. Durch die Reihenschaltung kann es aber beim Ladevorgang vorkommen, dass die einzelnen Superkondensatoren unterschiedlich schnell geladen werden. Grund hierfür sind insbesondere Fertigungstoleranzen, aufgrund derer nominell identische Superkondensatoren tatsächlich unterschiedliche Kapazitäten aufweisen. Das daraus resultierende unterschiedliche Ladeverhalten kann dazu führen, dass einzelne Superkondensatoren die Nennspannung überschreiten und permanent beschädigt werden.Since many applications require a voltage higher than 2.7 V, supercapacitors are often connected in series, which means that the nominal voltages add up. Due to the series connection, however, it can happen during the charging process that the individual supercapacitors are charged at different speeds. The reason for this is, in particular, manufacturing tolerances, as a result of which nominally identical supercapacitors actually have different capacitances. The resulting different charging behavior can cause individual supercapacitors to exceed the rated voltage and become permanently damaged.
Zur Vermeidung einer Beschädigung von in Reihe geschalteten Superkondensatoren schlägt die
Die
Die
Die
Die
Es hat sich gezeigt, dass die bekannten Schaltungsanordnungen für Superkondensatoren unzureichend sind und es auch mit diesen Schaltungen zu Abweichungen beim Laden der Superkondensatoren kommen kann.It has been shown that the known circuit arrangements for supercapacitors are inadequate and that deviations in the charging of the supercapacitors can also occur with these circuits.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, den Schutz von Superkondensatoren während des Ladevorgangs zu verbessern.It was therefore the object of the invention to improve the protection of supercapacitors during the charging process.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gelöst.This object is achieved by the circuit arrangement according to the invention.
Die Schaltungsanordnung weist zumindest einen Superkondensator und eine parallel zu dem Superkondensator geschaltete Bypass-Schaltung auf, die in einem aktiven Zustand ein Aufladen des Superkondensators verhindert oder begrenzt. Die Bypass-Schaltung befindet sich unterhalb einer vordefinierten Spannungsschwelle einer an dem Superkondensator anliegenden Kondensatorspannung in einem inaktiven Zustand und wird bei Überschreiten der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand versetzt. Die Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Schaltung einen von einer Steuereinheit ansteuerbaren Schalter umfasst, mittels dem die Bypass-Schaltung unabhängig von der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand versetzbar ist, insbesondere aus dem inaktiven Zustand in den aktiven Zustand versetzbar ist.The circuit arrangement has at least one supercapacitor and a bypass circuit which is connected in parallel with the supercapacitor and which, in an active state, prevents or limits charging of the supercapacitor. The bypass circuit is in an inactive state below a predefined voltage threshold of a capacitor voltage present at the supercapacitor and is switched to the active state when the predefined voltage threshold is exceeded. The circuit arrangement is characterized in that the bypass circuit comprises a control unit controllable switch, by means of which the bypass circuit can be set to the active state independently of the predefined voltage threshold, in particular from the inactive state to the active state.
Befindet sich die Bypass-Schaltung bereits durch ein Überschreiten der vordefinierten Spannungsschwelle in dem aktiven Zustand, so wird sie streng genommen nicht durch ein (zusätzliches) Schalten des Schalters in den aktiven Zustand versetzt. Auch in diesem Fall ist aber der Schalter jedenfalls geeignet, die Bypass-Schaltung aus dem inaktiven Zustand in den aktiven Zustand zu versetzen.If the bypass circuit is already in the active state as a result of the predefined voltage threshold being exceeded, then, strictly speaking, it is not put into the active state by an (additional) switching of the switch. In this case too, however, the switch is in any case suitable for switching the bypass circuit from the inactive state to the active state.
Die Bypass-Schaltung ist vorgesehen, um den Superkondensator vor einer Überspannung zu schützen. Wird die Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt, so leitet sie bevorzugt Strom um den Superkondensator herum. Dieser Strom lädt den Superkondensator nicht weiter auf, sodass es nicht zu einer Überspannung kommt und der Superkondensator geschützt ist. Liegt an der Schaltungsanordnung keine äußere Spannung an, ist also keine Stromquelle an den Superkondensator angeschlossen, dann entlädt die Bypass-Schaltung in ihrem aktiven Zustand den Superkondensator. In jedem Fall wird durch eine Bypass-Schaltung in aktivem Zustand elektrische Energie in Wärme umgewandelt und geht „verloren“, wird also an die Umgebung abgegeben.The bypass circuit is provided to protect the supercapacitor from overvoltage. When the bypass circuit is placed in the active state, it preferentially bypasses current around the supercapacitor. This current does not further charge the supercapacitor, so there is no overvoltage and the supercapacitor is protected. If no external voltage is applied to the circuit arrangement, that is to say if no current source is connected to the supercapacitor, then the bypass circuit, in its active state, will discharge the supercapacitor. In any case, electrical energy is converted into heat by a bypass circuit in an active state and is "lost", i.e. it is released into the environment.
Das Auf- und Entladen von Superkondensatoren ausgelöst durch Herstellungstoleranzen und abweichende Degenerierung läuft nicht immer vollkommen identisch ab. Werden in Reihe geschaltete Superkondensatoren immer vollständig geladen, so machen sich diese Probleme kaum bemerkbar. Es wurde jedoch erkannt, dass es mit der Zeit zu immer größer werdenden Abweichungen zwischen den Ladezuständen mehrerer in Reihe geschalteter Superkondensatoren kommt, wenn die Superkondensatoren mehrfach unvollständig auf- und entladen werden. Durch die Erfindung wird daher eine Möglichkeit geschaffen, die Bypass-Schaltung unabhängig von der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand zu versetzen und auf diese Weise Abweichungen auszugleichen.The charging and discharging of supercapacitors, triggered by manufacturing tolerances and deviating degeneration, is not always completely identical. If supercapacitors connected in series are always fully charged, these problems are hardly noticeable. However, it has been recognized that, over time, there are ever-increasing deviations between the charge states of a number of supercapacitors connected in series if the supercapacitors are repeatedly incompletely charged and discharged. The invention therefore creates a possibility of putting the bypass circuit into the active state independently of the predefined voltage threshold and in this way compensating for deviations.
Der Schalter weist einen offenen und einen geschlossenen Zustand auf. Im geschlossenen Zustand leitet der Schalter Strom, im offenen Zustand leitet der Schalter keinen Strom. Bevorzugt wird die Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt, wenn der Schalter geschlossen ist. Der Schalter ist bevorzugt ein Transistor, wobei der geschlossene Zustand des Schalters vorliegt, wenn der Transistor durchgeschaltet ist. Alternativ können auch andere Schalter eingesetzt werden.The switch has an open and a closed state. In the closed state the switch conducts current, in the open state the switch does not conduct current. Preferably, the bypass circuit is placed in the active state when the switch is closed. The switch is preferably a transistor, the closed state of the switch being when the transistor is turned on. Alternatively, other switches can also be used.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen sind mehrere Superkondensatoren in Reihe geschaltet, wobei jedem Superkondensator jeweils eine Bypass-Schaltung wie oben erwähnt parallel geschaltet ist und wobei jeder Schalter der Bypass-Schaltungen unabhängig von den anderen Schaltern ansteuerbar ist. Auf diese Weise können die Schalter sämtlicher Bypass-Schaltungen nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden und die Bypass-Schaltungen können je nach Bedarf in den aktiven Zustand versetzt werden.In advantageous developments, a plurality of supercapacitors are connected in series, with each supercapacitor having a bypass circuit connected in parallel as mentioned above, and with each switch of the bypass circuits being able to be controlled independently of the other switches. In this way, the switches of all bypass circuits can be opened or closed as needed and the bypass circuits can be placed in the active state as needed.
Superkondensatoren gliedern sich, bedingt durch die Ausführung ihrer Elektroden, in drei unterschiedliche Kondensatorfamilien:
- - Doppelschichtkondensatoren besitzen Kohlenstoffelektroden oder deren Derivate mit einer sehr hohen statischen Doppelschichtkapazität. Der Anteil der faradayschen Pseudokapazität an der Gesamtkapazität ist nur gering.
- - Pseudokondensatoren besitzen Elektroden aus Metalloxiden oder aus leitfähigen Polymeren und haben einen sehr hohen Anteil faradayscher Pseudokapazität.
- - Hybridkondensatoren besitzen asymmetrische Elektroden, eine mit einer hohen Doppelschicht-, die zweite mit einer hohen Pseudokapazität.
- - Double layer capacitors have carbon electrodes or their derivatives with a very high static double layer capacitance. The proportion of the Faraday pseudo-capacity in the total capacity is only small.
- - Pseudocapacitors have electrodes made of metal oxides or conductive polymers and have a very high proportion of Faraday pseudocapacitance.
- - Hybrid capacitors have asymmetric electrodes, one with a high double-layer capacitance, the second with a high pseudocapacitance.
Bei den Superkondensatoren der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung handelt es sich besonders bevorzugt um Lithium-Titanat-Oxid-Superkondensatoren (LTO-Superkondensatoren). LTO-Superkondensatoren gehören zu den Hybridkondensatoren. Bei LTO-Superkondensatoren ist die negative Grafit-Elektrode durch eine gesinterte Elektrode aus einem Titan-Spinell (Li4Ti5O12) ersetzt. Die Lithiumtitanat-Elektrode weist mit einem Faktor 30 eine wesentlich höhere wirksame Oberfläche auf als eine Grafit-Elektrode. Aus diesem Grund können sehr hohe Lade- und Entladeströme im Bereich größer 10C realisiert werden. Somit liegt die Leistungsdichte bei rund 1.200-3.500W/kg (2.700-7.500W/Liter). Die hohen Lade- und Entladeströme können zu den oben angegebenen Abweichungen bei unvollständigen Ladezyklen führen. Daher ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bei der Anwendung von LTO-Superkondensatoren besonders vorteilhaft.The supercapacitors of the circuit arrangement according to the invention are particularly preferably lithium titanate oxide supercapacitors (LTO supercapacitors). LTO supercapacitors belong to the hybrid capacitors. In LTO supercapacitors, the negative graphite electrode is replaced by a sintered electrode made of titanium spinel (Li 4 Ti 5 O 12 ). With a factor of 30, the lithium titanate electrode has a significantly higher effective surface area than a graphite electrode. For this reason, very high charging and discharging currents in the range of more than 10C can be realized. The power density is therefore around 1,200-3,500W/kg (2,700-7,500W/litre). The high charge and discharge currents can lead to the deviations given above in the case of incomplete charging cycles. The circuit arrangement according to the invention is therefore particularly advantageous when using LTO supercapacitors.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist die Steuereinheit derart mit den Superkondensatoren verbunden, dass sie die an dem jeweiligen Superkondensator anliegende Kondensatorspannung und/oder das an einem Pluspol des jeweiligen Superkondensators anliegende Kondensatorpotential erfassen kann. Die Kondensatorspannung bzw. das Kondensatorpotential geben Aufschluss darüber, wie groß die Abweichung des Ladezustandes mehrerer Superkondensatoren ist. Die Steuereinheit kann auf diese Weise ermitteln, welche Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt werden soll. Bevorzugt ist der Pluspol jedes Superkondensators mit jeweils einem eigenen Eingang der Steuereinheit verbunden, wodurch die Steuereinheit ein Eingangssignal in Form eines Potentials in Abhängigkeit von dem tatsächlich vorhandenen Kondensatorpotential erhält. Durch einen Vergleich der Potentiale kann die Steuereinheit die Kondensatorspannung des jeweiligen Kondensators ermitteln und daraus die Abweichungen im Ladezustand ermitteln. Alternativ kann auch die Kondensatorspannung direkt durch eine Messeinheit erfasst und als Information an die Steuereinheit übermittelt werden. Die Messeinheit ist hierzu mit dem Superkondensator und der Steuereinheit verbunden.In advantageous developments, the control unit is connected to the supercapacitors in such a way that it can detect the capacitor voltage present at the respective supercapacitor and/or the capacitor potential present at a positive pole of the respective supercapacitor. The capacitor voltage or the capacitor potential provide information about how large the deviation of the state of charge of several supercapacitors is. In this way, the control unit can determine which bypass circuit is to be placed in the active state. The positive pole of each supercapacitor is preferably connected to its own input of the control unit, as a result of which the control unit receives an input signal in the form of a potential depending on the capacitor potential actually present. By comparing the potentials, the control unit can determine the capacitor voltage of the respective capacitor and use this to determine the deviations in the state of charge. Alternatively, the capacitor voltage can also be recorded directly by a measuring unit and transmitted as information to the control unit. For this purpose, the measuring unit is connected to the supercapacitor and the control unit.
Bei in Reihe geschalteten Superkondensatoren addiert sich das Kondensatorpotential mit jedem hinzukommenden Superkondensator. Es ist wünschenswert, die Eingänge der Steuereinheit vor zu hohen Potentialen zu schützen. Bevorzugt ist daher zwischen jedem Pluspol und dem dazugehörigen Eingang der Steuereinheit jeweils eine Schutzschaltung mit einem Spannungsteiler angeordnet, wobei der Spannungsteiler an einem Ende mit dem Pluspol verbunden ist und zwei in Reihe geschaltete Widerstände aufweist, zwischen denen ein Knoten angeordnet ist und wobei der Eingang der Steuereinheit mit dem Knoten verbunden ist. Dadurch ist das Potential am Eingang der Steuereinheit geringer ist als das Kondensatorpotential des jeweiligen Superkondensators. Das andere Ende des Spannungsteilers liegt bevorzugt auf einem Nullpotential (UB0) der Schaltungsanordnung. Dieses Nullpotential muss nicht dem Erdpotential entsprechen.With supercapacitors connected in series, the capacitor potential adds up with each additional supercapacitor. It is desirable to protect the control unit inputs from excessively high potentials. A protective circuit with a voltage divider is therefore preferably arranged between each positive pole and the associated input of the control unit, the voltage divider being connected at one end to the positive pole and having two resistors connected in series, between which a node is arranged and the input of the control unit is connected to the node. As a result, the potential at the input of the control unit is lower than the capacitor potential of the respective supercapacitor. The other end of the voltage divider is preferably at a zero potential (U B0 ) of the circuit arrangement. This zero potential does not have to correspond to the ground potential.
Ein Anschluss der Steuereinheit liegt bevorzugt ebenfalls auf dem Nullpotential der Schaltungsanordnung.A connection of the control unit is preferably likewise at the zero potential of the circuit arrangement.
Wie bereits erwähnt, nimmt das Potential entlang der in Reihe geschalteten Superkondensatoren zu. Es ist daher von Vorteil, wenn die Widerstände an das nominell maximale Kondensatorpotential des zugehörigen Superkondensators angepasst sind. Das nominell maximale Kondensatorpotential ergibt sich aus den Nennspannungen der in Reihe geschalteten Superkondensatoren sowie der Position des jeweiligen Superkondensators in der Reihenschaltung ausgehend von der Kathode. Werden beispielsweise drei Superkondensatoren mit einer Nennspannung von 2,7 V in Reihe geschaltet, so beträgt ausgehend von der Anode das nominell maximale Kondensatorpotential bei dem ersten Superkondensator 2,7 V, bei dem zweiten Superkondensator 5,4 V und bei dem dritten Superkondensator 8,1 V.As already mentioned, the potential increases across the series-connected supercapacitors. It is therefore advantageous if the resistors are matched to the nominally maximum capacitor potential of the associated supercapacitor. The nominally maximum capacitor potential results from the nominal voltages of the supercapacitors connected in series and the position of the respective supercapacitor in the series connection, starting from the cathode. For example, if three supercapacitors with a nominal voltage of 2.7 V are connected in series, then, starting from the anode, the nominal maximum capacitor potential is 2.7 V for the first supercapacitor, 5.4 V for the second supercapacitor and 8 for the third supercapacitor. 1 v
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Widerstände des Spannungsteilers derart gewählt sind, dass das jeweilig an dem Eingang der Steuereinheit anliegende Potential unter einem vorbestimmten Wert liegt, der bevorzugt bei 5 V liegt. Der vorbestimmte Wert ist besonders bevorzugt für alle Eingänge identisch. Mit anderen Worten sind die Spannungsteiler der Bypass-Schaltungen benachbarter Superkondensatoren bevorzugt unterschiedlich. Die Widerstände jedes Spannungsteilers sind insbesondere derart gewählt, dass bei dem nominell maximalen Kondensatorpotential des zugehörigen Superkondensators der vorbestimmte Wert nicht überschritten wird.It is particularly advantageous if the resistances of the voltage divider are selected in such a way that the potential present at the input of the control unit is below a predetermined value, which is preferably 5 V. The predetermined value is particularly preferably identical for all inputs. In other words, the voltage dividers of the bypass circuits of adjacent supercapacitors are preferably different. The resistances of each voltage divider are selected in particular in such a way that the predetermined value is not exceeded at the nominally maximum capacitor potential of the associated supercapacitor.
Die Spannungsschwelle ist bevorzugt durch die Bypass-Schaltung selbst, insbesondere durch ihre elektronischen Bauteile, definiert. Sie wird also insbesondere nicht von außerhalb der Bypass-Schaltung vorgegeben, beeinflusst oder gar gesteuert.The voltage threshold is preferably defined by the bypass circuit itself, in particular by its electronic components. In particular, it is not specified, influenced or even controlled from outside the bypass circuit.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen weist die Bypass-Schaltung zumindest einen als schaltendes Element arbeitenden, parallel zum Superkondensator geschalteten Bypass-Transistor und einen parallel zum Superkondensator geschalteten Querregler auf, der bei Erreichen seiner Schaltschwelle den Bypass-Transistor durchschaltet (leitend wird) und dadurch die Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt, in der die Bypass-Schaltung Strom um den Superkondensator herum leitet. Unter einem Querregler kann allgemein ein Bauteil verstanden werden, welches parallel zum Superkondensator geschaltet ist und zumindest in aktivem Zustand immer so viel Strom aufnimmt, dass die Spannung an dem Superkondensator konstant gehalten wird. In der Bypass-Schaltung wirkt der Querregler als Schwellenwertschalter. Ein Schwellenwertschalter ist allgemein ein elektronisches oder elektrisches Bauelement, das die Funktion eines Sensors mit einer Schaltfunktion kombiniert. Der Schaltvorgang wird ausgelöst, wenn die vom Sensor „gemessene“ physikalische Größe einen voreingestellten Grenzwert (den Schwellenwert) überschreitet. Vorliegend handelt es sich bei der gemessenen Größe um eine Größe der Schaltungsanordnung, nämlich die an dem Superkondensator anliegende Kondensatorspannung. Der Querregler ist bevorzugt schaltbar und weist zu diesem Zweck einen Steuereingang auf. Als Querregler kann beispielweise ein TL431 (schaltbar) eingesetzt werden. Der Querregler kann deshalb auch als Parallelregler, Shuntregler oder Schwellenwertschalter bezeichnet werden.In advantageous developments, the bypass circuit has at least one bypass transistor which operates as a switching element and is connected in parallel with the supercapacitor, and a quadrature regulator which is connected in parallel with the supercapacitor and which switches the bypass transistor through (becomes conductive) when its switching threshold is reached and thereby the bypass Switches circuit to the active state in which the bypass circuit directs current around the supercapacitor. A transverse regulator can generally be understood as a component which is connected in parallel with the supercapacitor and, at least in the active state, always draws so much current that the voltage across the supercapacitor is kept constant. In the bypass circuit, the quadrature regulator acts as a threshold switch. A threshold switch is generally an electronic or electrical component that combines the function of a sensor with a switching function. The switching process is triggered when the physical quantity "measured" by the sensor exceeds a preset limit value (the threshold value). strides. In the present case, the measured variable is a variable of the circuit arrangement, namely the capacitor voltage present at the supercapacitor. The quadrature regulator is preferably switchable and has a control input for this purpose. For example, a TL431 (switchable) can be used as a cross regulator. The quadrature regulator can therefore also be referred to as a parallel regulator, shunt regulator or threshold switch.
Bevorzugt ist ein Widerstand zu dem Bypass-Transistor in Reihe geschaltet und der Widerstand und der Bypass-Transistor sind gemeinsam parallel zu dem Superkondensator geschaltet. Preferably, a resistor is connected in series with the bypass transistor, and the resistor and the bypass transistor are connected together in parallel with the supercapacitor.
Dadurch wird verhindert, dass es im Falle einer Aktivierung der Bypass-Schaltung zu einem Kurzschluss kommt.This prevents a short circuit from occurring if the bypass circuit is activated.
Der Bypass-Transistor ist bevorzugt ein Bipolartransistor. Auch ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) kann verwendet werden. Jedenfalls ist es bevorzugt, dass der Bypass-Transistor schon bei geringen Spannungen, insbesondere bei < 2,7 V, einen ausreichend hohen Strom, insbesondere > 2 A, zwischen Kollektor und Emitter liefert. Auf diese Weise bietet der Bypass-Transistor eine gute Schutzfunktion für den Superkondensator.The bypass transistor is preferably a bipolar transistor. A MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) can also be used. In any case, it is preferable for the bypass transistor to deliver a sufficiently high current, in particular >2 A, between collector and emitter even at low voltages, in particular at <2.7 V. In this way, the bypass transistor provides a good protective function for the supercapacitor.
Die Schaltschwelle ist eine intrinsische Größe des Querreglers. Weist der Querregler einen Steuereingang auf, so muss die Schaltschwelle an dem Steuereingang erreicht werden, damit der Querregler schaltet. Bei einem TL431 beträgt die Schaltschwelle 1,5 V bis 2,5 V.The switching threshold is an intrinsic variable of the quadrature controller. If the quadrature regulator has a control input, then the switching threshold at the control input must be reached for the quadrature regulator to switch. With a TL431, the switching threshold is 1.5 V to 2.5 V.
Beim Ladevorgang wird zunächst der Superkondensator wie üblich durch einen Ladestrom geladen. Die Bypass-Schaltung befindet sich so lange in einem passiven (inaktiven) Zustand, wie die Schaltschwelle des Querreglers nicht erreicht wird. Bei Erreichen der Schaltschwelle wird der wenigstens eine Bypass-Transistor von dem Querregler angesteuert. Die Bypass-Schaltung befindet sich dann in einem aktiven Zustand. Die Bypass-Schaltung leitet in diesem Zustand Strom um den Superkondensator herum. Dieser Strom lädt den Superkondensator nicht weiter auf, sodass es zumindest dann nicht zu einer Überspannung kommt, wenn der Ladestrom des Superkondensators kleiner oder gleich dem durch die Bypass-Schaltung um den Superkondensator herum geleiteten Stroms ist. Jedenfalls wird die den Superkondensator ladenden Strommenge durch die Bypass-Schaltung in aktivem Zustand reduziert und der Superkondensator auf diese Weise geschützt.During the charging process, the supercapacitor is first charged as usual using a charging current. The bypass circuit is in a passive (inactive) state as long as the switching threshold of the cross regulator is not reached. When the switching threshold is reached, the at least one bypass transistor is activated by the quadrature regulator. The bypass circuit is then in an active state. The bypass circuit shunts current around the supercapacitor in this condition. This current does not further charge the supercapacitor, so at least if the charging current of the supercapacitor is less than or equal to the current bypassed around the supercapacitor, an overvoltage will not occur. In any case, the amount of current charging the supercapacitor is reduced by the bypass circuit when active, thus protecting the supercapacitor.
Der Querregler definiert den Schaltpunkt für den Bypass-Transistor bevorzugt, indem ein Ausgang des Querreglers mit einem Steuereingang jedes Bypass-Transistors verbunden ist. Besonders bevorzugt ist dabei zwischen dem Ausgang (Anodenanschluss) des Querreglers und dem Eingang jedes Bypass-Transistors ein Widerstand angeordnet. Die Verwendung eines Widerstands zwischen Querregler und Bypass-Transistor dient einem Toleranzausgleich und einer Strombegrenzung des Maximalstroms des Basisanschlusses. Durch die Widerstände wird sichergestellt, dass die tatsächlichen Schaltzeitpunkte der Bypass-Transistoren, die toleranzbedingt immer abweichen, nicht zu weit auseinander liegen.The quadrature regulator preferably defines the switching point for the bypass transistor in that an output of the quadrature regulator is connected to a control input of each bypass transistor. A resistor is particularly preferably arranged between the output (anode connection) of the quadrature regulator and the input of each bypass transistor. The use of a resistor between the shunt regulator and the bypass transistor serves to compensate for tolerances and limit the maximum current of the base connection. The resistors ensure that the actual switching times of the bypass transistors, which always deviate due to tolerances, are not too far apart.
Die Verstärkungswirkung von Transistoren ist nicht binär, sondern folgt einer Kennlinie und ist von der Höhe der Spannung am Kondensator (Basis-Emitter-Spannung) und/oder eines Steuersignals abhängig. Eine höhere Basis-Emitter-Spannung erhöht die Verstärkung, das heißt der Transistor wird weiter „aufgesteuert“. Bei einem geringen Steuersignal ist die Verstärkungswirkung eines Transistors geringer. Einfache Kondensatoren haben im Vergleich zu Superkondensatoren höhere Nominalspannungen. Diese höheren Spannungen stehen dann auch zum Ansteuern von Transistoren in einer Bypass-Schaltung zur Verfügung. In Folge der höheren Spannungen steuern die Transistoren der Bypass-Schaltung stärker durch und leiten sofort einen höheren Strom um den Kondensator herum und schützen ihn auf diese Weise sehr effektiv. Bei einfachen Kondensatoren erzielen Bypass-Schaltungen dadurch eine ausreichende Bypass-Wirkung.The amplification effect of transistors is not binary, but follows a characteristic curve and depends on the level of the voltage across the capacitor (base-emitter voltage) and/or a control signal. A higher base-emitter voltage increases the gain, i.e. the transistor is "turned on" further. When the control signal is low, the amplification effect of a transistor is reduced. Simple capacitors have higher nominal voltages compared to supercapacitors. These higher voltages are then also available to drive transistors in a bypass circuit. As a result of the higher voltages, the transistors in the bypass circuit turn on more and immediately conduct a higher current around the capacitor, protecting it very effectively. In the case of simple capacitors, bypass circuits thus achieve a sufficient bypass effect.
Bei Superkondensatoren ist das aufgrund ihrer geringen Nennspannung nicht ohne weiteres der Fall. Es hat sich gezeigt, dass die geringe Nennspannung von Superkondensatoren zur Folge hat, dass das Steuersignal die Transistoren nicht optimal schaltet und somit nur eine reduzierte Stromleitung, d. h. kein optimaler Schutz für die Superkondensatoren, gegeben ist.This is not necessarily the case with supercapacitors due to their low nominal voltage. It has been shown that the low nominal voltage of supercapacitors means that the control signal does not switch the transistors optimally and thus only a reduced current conduction, i. H. there is no optimal protection for the supercapacitors.
Durch die Anordnung von mindestens zwei Bypass-Schaltungen parallel zu dem Superkondensator kann insgesamt mehr Strom um den Superkondensator herum geleitet werden. Die Bypass-Schaltungen sind dabei unabhängig voneinander. Es können daher unterschiedliche Schaltpunkte für den jeweilig angesteuerten Bypass-Transistor vorgesehen werden. Auf diese Weise lässt sich der Schutz des Superkondensators beispielsweise auch mehrstufig in Abhängigkeit der anliegenden Spannung zuschalten.By placing at least two bypass circuits in parallel with the supercapacitor, more total current can be shunted around the supercapacitor. The bypass circuits are independent of each other. It is therefore possible to provide different switching points for the respectively controlled bypass transistor. In this way, the protection of the supercapacitor can, for example, also be switched on in several stages depending on the applied voltage.
Eine weitere Verbesserung der Schutzwirkung kann erreicht werden, indem jede Bypass-Schaltung zwei als schaltende Elemente arbeitende, jeweils parallel zum Superkondensator geschaltete Bypass-Transistoren umfasst, wobei die Schaltschwelle des Querreglers den Schaltpunkt für die beiden parallel geschalteten Bypass-Transistoren definiert. Die Bypass-Transistoren sind bevorzugt nominell identisch. Die zwei Bypass-Transistoren werden in diesem Fall gemeinsam geschaltet und ermöglichen es, dass ein höherer Strom um den Superkondensator herum geleitet wird.A further improvement in the protective effect can be achieved by each bypass circuit comprising two bypass transistors which work as switching elements and are each connected in parallel with the supercapacitor threshold of the quadrature regulator defines the switching point for the two bypass transistors connected in parallel. The bypass transistors are preferably nominally identical. The two bypass transistors in this case are switched together and allow a higher current to be shunted around the supercapacitor.
Die Bypass-Schaltung weist bevorzugt ferner einen parallel zum Superkondensator geschalteten Anzeigetransistor auf. Der Anzeigetransistor wird ebenfalls von dem Querregler angesteuert, sobald dieser seine Schaltschwelle erreicht. Auf diese Weise definiert die Schaltschwelle des Querreglers den Schaltpunkt für den Anzeigetransistor. In der Laststrecke des Anzeigetransistors sind ferner eine Leuchtdiode sowie ein Widerstand in Reihe geschaltet. Zwischen dem Reglerknoten und der Basis des Anzeigetransistors ist ein Widerstand zum Toleranzausgleich und einer Strombegrenzung des Maximalstroms des Basisanschlusses angeordnet. Der Anzeigetransistor kann sich aufgrund der weiteren Verschaltung mit der Leuchtdiode von dem Bypass-Transistor unterscheiden. Der Widerstand zwischen dem Reglerknoten und der Basis des Anzeigetransistors ist bevorzugt derart gewählt, dass der Anzeigetransistor zur gleichen Zeit schaltet wie die Bypass-Transistoren. Erreicht der Querregler seine Schaltschwelle, so schaltet er den Anzeigetransistor, woraufhin die Leuchtdiode leuchtet und damit anzeigt, dass sich die Bypass-Schaltung in ihrem aktiven Zustand befindet.The bypass circuit preferably also has an indicator transistor connected in parallel with the supercapacitor. The indicator transistor is also controlled by the quadrature regulator as soon as it reaches its switching threshold. In this way, the switching threshold of the quadrature regulator defines the switching point for the display transistor. A light-emitting diode and a resistor are also connected in series in the load path of the display transistor. A resistor for tolerance compensation and current limitation of the maximum current of the base connection is arranged between the regulator node and the base of the display transistor. The display transistor can differ from the bypass transistor due to the further interconnection with the light-emitting diode. The resistance between the regulator node and the base of the display transistor is preferably chosen such that the display transistor switches at the same time as the bypass transistors. When the quadrature regulator reaches its switching threshold, it switches on the display transistor, whereupon the LED lights up, indicating that the bypass circuit is in its active state.
Die Bypass-Schaltung umfasst bevorzugt einen parallel zum Superkondensator geschalteten Spannungsteiler, dessen Spannungsteilerknoten mit einem Steuereingang des Querreglers verbunden ist, wobei durch den Spannungsteiler definiert ist, dass der Querregler bei Erreichen der vordefinierten Spannungsschwelle an dem Superkondensator seine Schaltschwelle erreicht. Der Spannungsteiler weist bevorzugt zwei in Reihe geschaltete Widerstände auf, zwischen denen der Spannungsteilerknoten angeordnet ist. Alternativ kann mindestens einer der beiden Widerstände durch eine variable Widerstandsanordnung ausgebildet werden, mittels der das Knotenpotential auswählbar ist. Mit anderen Worten kann mittels der variablen Widerstandsanordnung ausgewählt werden, bei welcher Kondensatorspannung der Querregler seine Schaltschwelle erreicht. Auf diese Weise können unterschiedliche Bypass-Schaltungen, beispielsweise für verschiedene Superkondensatoren, mit den gleichen Bauteilen realisiert werden, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden können. Das Knotenpotential wird dann je nachdem, welcher Schaltpunkt gewünscht ist oder welche Kapazität der parallelgeschaltete Superkondensator hat, beeinflusst.The bypass circuit preferably includes a voltage divider connected in parallel with the supercapacitor, whose voltage divider node is connected to a control input of the quadrature regulator, it being defined by the voltage divider that the quadrature regulator reaches its switching threshold when the predefined voltage threshold is reached at the supercapacitor. The voltage divider preferably has two resistors connected in series, between which the voltage divider node is arranged. Alternatively, at least one of the two resistors can be formed by a variable resistor arrangement, by means of which the node potential can be selected. In other words, the variable resistor arrangement can be used to select the capacitor voltage at which the quadrature regulator reaches its switching threshold. In this way, different bypass circuits, for example for different supercapacitors, can be implemented with the same components, which means that production costs can be reduced. The node potential is then influenced depending on which switching point is desired or the capacitance of the supercapacitor connected in parallel.
Die variable Widerstandsanordnung weist bevorzugt mehrere parallele Teilstränge mit jeweils einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand auf und umfasst ein Auswahlmittel, wobei mittels des Auswahlmittels genau ein Teilstrang als leitender Teilstrang auswählbar ist oder mehrere Teilstränge als leitende Teilstränge auswählbar sind. Das Auswahlmittel ermöglicht es, auf einfache Weise zwischen den Teilsträngen genau den oder die Teilstrang/Teilstränge auszuwählen, der/die für den einzusetzenden Superkondensator der richtige ist/die richtigen sind. Die Auswahl kann durch eine feste Kontaktierung, beispielsweise durch Verlöten, oder eine variable Kontaktierung, beispielsweise mittels eines Wechselschalters, erfolgen. Werden für einen Superkondensator zwei Bypass-Schaltungen eingesetzt und sollen deren Querregler bei unterschiedlichen Kondensatorspannungen schalten, so kann bei Verwendung identischer Komponenten in einer Bypass-Schaltung ein erster Teilstrang und in der anderen Bypass-Schaltung ein zweiter Teilstrang ausgewählt werden. Dadurch sind die Knotenpotentiale der zwei Spannungsteiler immer unterschiedlich und in Folge weichen auch die Schaltzeitpunkte der Querregler voneinander ab. Dadurch kann der unterschiedliche Schaltzeitpunkt der beiden Bypass-Schaltungen auf einfache Weise realisiert werden.The variable resistance arrangement preferably has a plurality of parallel partial strands, each with a different electrical resistance, and includes a selection means, with the selection means being able to select precisely one partial strand as the conductive partial strand or multiple partial strands being able to be selected as the conductive partial strands. The selection means makes it possible, in a simple manner, to select exactly that or those sub-strings from among the sub-strings which is/are the right ones for the supercapacitor to be used. The selection can be made by a fixed contact, for example by soldering, or a variable contact, for example by means of a changeover switch. If two bypass circuits are used for a supercapacitor and their quadrature regulators are to switch at different capacitor voltages, a first substring can be selected in one bypass circuit and a second substring in the other bypass circuit when using identical components. As a result, the node potentials of the two voltage dividers are always different and, as a result, the switching times of the quadrature regulators also deviate from one another. As a result, the different switching times of the two bypass circuits can be implemented in a simple manner.
Alternativ zu einer Mehrzahl von Teilsträngen umfasst die variable Widerstandsanordnung bevorzugt ein Potentiometer. Ein Potentiometer ermöglicht eine stufenlose Einstellung des Widerstandes und damit schlussendlich des Schaltzeitpunktes. Eine Schaltungsanordnung mit Potentiometer ist damit flexibler an die Bedürfnisse anpassbar.As an alternative to a plurality of sub-strings, the variable resistor arrangement preferably includes a potentiometer. A potentiometer enables a stepless adjustment of the resistance and thus ultimately the switching time. A circuit arrangement with a potentiometer can thus be adapted more flexibly to requirements.
Der Schalter weist wie beschrieben einen offenen und einen geschlossenen Zustand auf und schaltet bevorzugt im geschlossenen Zustand den Bypass-Transistor durch. Der Schalter und der Querregler sind besonders bevorzugt parallel geschaltet und können den Bypass-Transistor unabhängig voneinander durchschalten. Hat der Querregler den Bypass-Transistor bereits durchgeschaltet, so bewirkt eine Betätigung des Schalters nichts. Der Schalter ist dennoch geeignet, den Bypass-Transistor unabhängig von der Spannungsschwelle durchzuschalten.As described, the switch has an open and a closed state and preferably switches the bypass transistor through in the closed state. The switch and the quadrature regulator are particularly preferably connected in parallel and can switch through the bypass transistor independently of one another. If the quadrature control has already switched the bypass transistor through, pressing the switch has no effect. The switch is nevertheless suitable for turning on the bypass transistor independently of the voltage threshold.
Die Bypass-Schaltung umfasst bevorzugt einen Optokoppler mit einer Sendeseite und einer Empfangsseite, wobei die Sendeseite mit der Steuereinheit verbunden ist und wobei die Empfangsseite den Schalter ausbildet. Die Sendeseite und die Empfangsseite eines Optokopplers können miteinander kommunizieren, also insbesondere Signale übertragen, sind jedoch galvanisch voneinander getrennt. Aufgrund der unterschiedlichen Potentiale der verschiedenen Superkondensatoren ist es von Vorteil, ein Bauteil mit einer galvanischen Trennung zwischen der Steuereinheit und dem Schalter vorzusehen. Es können auch andere Bauteile an Stelle des Optokopplers eingesetzt werden, die eine galvanische Trennung bewirken, beispielsweise ein Trenntrafo oder ein Relais.The bypass circuit preferably comprises an optocoupler with a transmission side and a reception side, the transmission side being connected to the control unit and the reception side forming the switch. The transmitting side and the receiving side of an optocoupler can communicate with each other, that is, in particular, they can transmit signals, but they are electrically isolated from one another. Due to the different potentials of the various supercapacitors, it is advantageous to use a component with galvanic isolation between the control unit and the switch. It is also possible to use other components instead of the optocoupler, which bring about galvanic isolation, for example an isolating transformer or a relay.
Die Sendeseite des Optokopplers weist bevorzugt eine Leuchtdiode auf und die Empfangsseite einen Fototransistor. Die Leuchtdiode wird von der Steuereinheit der Schaltungsanordnung angesteuert. Hierzu ist die Leuchtdiode mit einem Ausgang der Steuereinheit verbunden. Wird die Leuchtdiode von der Steuereinheit aktiviert („HIGH Pegel Triggerung“), schaltet sie den Fototransistor durch, wodurch der Schalter leitend, also in den geschlossenen Zustand versetzt wird. Wird die Leuchtdiode deaktiviert, so wird der Schalter geöffnet. Mit anderen Worten ist der Schalter in Abhängigkeit von einem Signal der Sendeseite in den offenen und den geschlossenen Zustand schaltbar.The transmitting side of the optocoupler preferably has a light-emitting diode and the receiving side has a phototransistor. The light-emitting diode is driven by the control unit of the circuit arrangement. For this purpose, the light-emitting diode is connected to an output of the control unit. If the light-emitting diode is activated by the control unit ("HIGH level triggering"), it switches the phototransistor through, which means that the switch is conductive, i.e. in the closed state. If the light-emitting diode is deactivated, the switch is opened. In other words, the switch can be switched to the open state and the closed state depending on a signal from the transmission side.
Die Steuereinheit umfasst bevorzugt mindestens einen Multiplexer, insbesondere einen 74HC4067. Besonders bevorzugt umfasst die Steuereinheit einen Multiplexer, welcher die Eingänge für die Eingangssignale ausbildet und einen Multiplexer, welcher die Ausgänge für die Schalter ausbildet. Die Multiplexer sind bevorzugt mit einem zentralen Steuerorgan der Steuereinheit verbunden, beispielsweise einem Arduino Nano.The control unit preferably comprises at least one multiplexer, in particular a 74HC4067. The control unit particularly preferably includes a multiplexer, which forms the inputs for the input signals, and a multiplexer, which forms the outputs for the switches. The multiplexers are preferably connected to a central controller of the control unit, for example an Arduino Nano.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen sind mehrere Steuereinheiten vorgesehen, wobei jede Steuereinheit mit wenigstens einem Schalter einer Bypass-Schaltung verbunden ist und wobei benachbarte Steuereinheiten unter galvanischer Trennung miteinander verbunden sind. Die Steuereinheiten können durch ihre Verbindung miteinander kommunizieren und insbesondere Informationen zu den Ladezuständen, also den Kondensatorspannungen einzelner, ihnen zugeordneter Superkondensatoren austauschen. Auf diese Weise entstehen mehrere Baugruppen aus jeweils einer Steuereinheit und mehreren zugehörigen Superkondensatoren mit jeweils zugehöriger Bypass-Schaltung. Je nach Anwendungsbereich können solche Baugruppen auf verschiedene Arten miteinander verschaltet werden, also insbesondere in Reihe und/oder parallel. Auf diese Weise wird ein Energiespeicher bereitgestellt, der genau auf die gewünschte Anwendung zugeschnitten ist.In advantageous developments, a plurality of control units are provided, each control unit being connected to at least one switch of a bypass circuit and adjacent control units being connected to one another with galvanic isolation. The control units can communicate with one another through their connection and, in particular, exchange information on the charge states, ie the capacitor voltages of individual supercapacitors assigned to them. In this way, several assemblies are created, each consisting of a control unit and several associated supercapacitors, each with an associated bypass circuit. Depending on the area of application, such assemblies can be interconnected in various ways, ie in particular in series and/or in parallel. In this way, an energy store is provided that is precisely tailored to the desired application.
Die galvanisch getrennte Verbindung der Steuereinheiten erfolgt insbesondere durch eine optische Verbindung, beispielsweise einen Lichtwellenleiter. Besonders bevorzugt sind jeder Steuereinheit mehrere Schalter zugeordnet, wobei die Steuereinheit die ihr zugeordneten Schalter unabhängig voneinander ansteuern kann.The galvanically isolated connection of the control units takes place in particular by an optical connection, for example an optical waveguide. Each control unit is particularly preferably assigned a plurality of switches, with the control unit being able to activate the switches assigned to it independently of one another.
Jede Steuereinheit ist bei vorteilhaften Weiterbildungen mit einem eigenen Display der Schaltungsanordnung verbunden. Auf dem Display können insbesondere die Eingangssignale der Steuereinheit, die Kondensatorspannungen der der Steuereinheit zugehörigen Superkondensatoren, die aktiven Bypass-Schaltungen, die Zustände sämtlicher Bypass-Schaltungen und/oder weitere Informationen visualisiert oder als Zahlenwert angezeigt werden.In advantageous developments, each control unit is connected to its own display of the circuit arrangement. In particular, the input signals of the control unit, the capacitor voltages of the supercapacitors associated with the control unit, the active bypass circuits, the states of all bypass circuits and/or other information can be visualized or displayed as numerical values on the display.
Die Schaltungsanordnung kann einen oder mehrere eigene Temperatursensoren umfassen, der mit der Steuereinheit verbunden ist. Insbesondere ist jedem Superkondensator und/oder jeder Bypass-Schaltung ein Temperatursensor zugeordnet. Die Steuereinheit kann in Abhängigkeit von dem Signal der Temperatursensoren die Bypass-Schaltung(en) in den aktiven Zustand versetzen.The circuit arrangement can include one or more separate temperature sensors, which are connected to the control unit. In particular, a temperature sensor is associated with each supercapacitor and/or each bypass circuit. Depending on the signal from the temperature sensors, the control unit can switch the bypass circuit(s) to the active state.
Superkondensatoren unterliegen wie beschrieben herstellungsbedingten Toleranzen (Fertigungstoleranzen). Sind in einer Schaltung mehrere Superkondensatoren in Reihe geschaltet, so werden die einzelnen Superkondensatoren unterschiedlich schnell geladen. Dieser Effekt nimmt mit der Differenz der tatsächlichen Kapazität der einzelnen Kondensatoren zu. Die Erfinder haben erkannt, dass sich dieser Effekt durch ein Parallelschalten mehrerer Kondensatoren verringern lässt, wodurch die einzelnen Superkondensatoren besser geschützt werden. Bei vorteilhaften Weiterbildungen sind daher zumindest zwei parallel geschaltete, Superkondensatoren vorgesehen, die gemeinsam eine Superkondensatorgruppe bilden. Mit anderen Worten: es werden mehrere Superkondensatoren parallel geschaltet und parallel dazu ist die Bypass-Schaltung vorgesehen. Das Parallelschalten mehrerer Kondensatoren führt statistisch dazu, dass starke Abweichungen der Superkondensatorgruppe von ihrer Nennkapazität weniger wahrscheinlich werden. Besonders bevorzugt sind die parallel geschalteten Superkondensatoren nominell baugleich. Baugleiche Bauteile haben die gleichen Toleranzgrenzen, wodurch der statistische Effekt besonders wirksam ist. Die obige Beschreibung bezogen auf in Reihe geschaltete Superkondensatoren bezieht sich in gleicher Weise auch auf in Reihe geschaltete Superkondensatorengruppen.As described, supercapacitors are subject to manufacturing-related tolerances (manufacturing tolerances). If several supercapacitors are connected in series in a circuit, the individual supercapacitors are charged at different rates. This effect increases with the difference in the actual capacitance of the individual capacitors. The inventors have recognized that this effect can be reduced by connecting a number of capacitors in parallel, as a result of which the individual supercapacitors are better protected. In advantageous developments, at least two supercapacitors connected in parallel are therefore provided, which together form a supercapacitor group. In other words: several supercapacitors are connected in parallel and the bypass circuit is provided in parallel. Statistically, connecting several capacitors in parallel means that the supercapacitor group is less likely to deviate greatly from its nominal capacitance. Particularly preferably, the supercapacitors connected in parallel are nominally identical. Identical components have the same tolerance limits, which means that the statistical effect is particularly effective. The above description relating to series-connected supercapacitors applies equally to series-connected supercapacitor groups.
Es kann gewünscht sein, den Ladevorgang zu unterbrechen. Das ist beispielsweise der Fall, wenn alle Superkondensatoren der Schaltungsanordnung vollständig geladen sind. Dieser Zustand kann wie beschrieben anhand der Eingangssignale durch die Steuereinheit ermittelt werden. Die Schaltungsanordnung umfasst bevorzugt ein mit der Steuereinheit verbundenes Schaltorgan, welches eingerichtet ist, die Verbindung zwischen einem Anschluss für eine Stromquelle und dem Superkondensator trennen und schließen zu können. Das Schaltorgan ist bevorzugt ein Relais, das mit den Superkondensatoren in Reihe geschaltet ist.You may wish to pause the loading process. This is the case, for example, when all supercapacitors in the circuit arrangement are fully charged. As described, this state can be determined by the control unit using the input signals. The circuit arrangement preferably includes a switching element which is connected to the control unit and which is set up to provide the connection between a connection for a current source and the supercon to be able to disconnect and close the densator. The switching device is preferably a relay connected in series with the supercapacitors.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch einen elektrischen Energiespeicher mit einem Gehäuse und mindestens einer in dem Gehäuse angeordneten Schaltungsanordnung nach der obigen Beschreibung gelöst. Die in Reihe geschalteten Superkondensatoren bieten eine höhere Nennspannung als es mit einem einzelnen Superkondensator möglich ist. Gleichzeitig werden Abweichungen der Ladezustände der Superkondensatoren durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vermieden.The object of the invention is also achieved by an electrical energy store with a housing and at least one circuit arrangement arranged in the housing according to the above description. The series-connected supercapacitors offer a higher voltage rating than is possible with a single supercapacitor. At the same time, deviations in the state of charge of the supercapacitors are avoided by the circuit arrangement according to the invention.
Besonders bevorzugt werden mehrere Schaltungsanordnungen in Reihe geschaltet, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Superkondensatoren aufweisen. Der Energiespeicher stellt dann vorteilhafterweise das Nullpotential für die erste Schaltungsanordnung in der Reihe zur Verfügung, beispielsweise durch eine Verbindung zur Erde. Alle weiteren Schaltungsanordnungen haben als Nullpotential das jeweils höhere Endpotential der in der Reihe vorangehenden Schaltungsanordnung. In einem Energiespeicher mit einer Nennspannung von beispielsweise 75 V und drei identischen Schaltungsanordnungen beträgt das Nullpotential der ersten Schaltungsanordnung 0 V, das Nullpotential der zweiten Schaltungsanordnung 25 V und das Nullpotential der dritten Schaltungsanordnung 50 V.Particularly preferably, a plurality of circuit arrangements are connected in series, each having a plurality of supercapacitors connected in series. The energy store then advantageously makes the zero potential available for the first circuit arrangement in the series, for example through a connection to ground. All further circuit configurations have the respectively higher end potential of the preceding circuit configuration in the series as the zero potential. In an energy store with a nominal voltage of 75 V, for example, and three identical circuit configurations, the zero potential of the first circuit configuration is 0 V, the zero potential of the second circuit configuration is 25 V and the zero potential of the third circuit configuration is 50 V.
In dem Gehäuse kann mindestens ein Temperatursensor angeordnet sein, der die Temperatur in dem Gehäuse erfasst. Der Temperatursensor ist mit der Steuereinheit verbunden.At least one temperature sensor, which detects the temperature in the housing, can be arranged in the housing. The temperature sensor is connected to the control unit.
Das Gehäuse ist bevorzugt geerdet.The housing is preferably grounded.
Der Energiespeicher umfasst bevorzugt mindestens ein mit der Steuereinheit verbundenes, insbesondere galvanisch getrennt verbundenes Display, auf dem beispielsweise die Temperatur in dem Gehäuse, die Eingangssignale der Steuereinheiten, die Kondensatorspannungen der Superkondensatoren, die aktiven Bypass-Schaltungen, die Zustände sämtlicher der Steuereinheit zugehörigen Bypass-Schaltungen, und/oder weitere Informationen angezeigt werden.The energy store preferably comprises at least one display which is connected to the control unit, in particular one which is electrically isolated, on which, for example, the temperature in the housing, the input signals of the control units, the capacitor voltages of the supercapacitors, the active bypass circuits, the states of all the bypass Circuits and/or other information are displayed.
Optional kann der Energiespeicher eine mit der Steuereinheit verbundene Kommunikationseinheit umfassen. Die Kommunikationseinheit dient als Datenlogger und zur Kommunikation mit anderen Geräten. Die Kommunikationseinheit weist bevorzugt mindestens eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle, beispielsweise WiFi auf. Auch eine Fernwartung ist auf diese Weise möglich. Die Kommunikationseinheit ist bevorzugt galvanisch von der Steuereinheit getrennt.Optionally, the energy store can include a communication unit connected to the control unit. The communication unit serves as a data logger and for communication with other devices. The communication unit preferably has at least one wireless or wired interface, for example WiFi. Remote maintenance is also possible in this way. The communication unit is preferably galvanically isolated from the control unit.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Verwendung einer Schaltungsanordnung nach der obigen Beschreibung als Energiespeicher in einer Photovoltaikanlage, in einem Fahrzeug mit alternativem Antrieb, in einer Ladestation für Elektrofahrzeuge, in einem Pufferspeicher einer Windkraftanlage oder in einem mobilen Speicher. Insbesondere bei einer Photovoltaikanlage kommt es im Winter regelmäßig zu unvollständigen Ladevorgängen, bei denen es ohne die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit der Zeit zu Abweichungen der Ladezustände von in Reihe geschalteten Superkondensatoren kommen würde. Diese Abweichungen werden durch die Erfindung vermieden. Auch kann es vorkommen, dass die Programmierung des Wechselrichters der Photovoltaikanlage eine Abschaltung vornimmt, bevor die Superkondensatoren die Spannungsschwelle erreichen. In diesem Fall werden die Superkondensatoren niemals so voll geladen, dass die Spannungsschwelle erreicht und die Bypass-Schaltungen in den aktiven Zustand geschaltet werden. Es kommt daher selbst bei einem vermeintlichen Vollladen nicht automatisch zu einem Ladungsausgleich durch die Bypass-Schaltungen. Besonders in solchen Fällen ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung von Vorteil, da sie auch unterhalb der Spannungsschwelle für einen Ausgleich der Ladungszustände sorgen kann.The object of the invention is also achieved through the use of a circuit arrangement as described above as an energy store in a photovoltaic system, in a vehicle with alternative drive, in a charging station for electric vehicles, in a buffer store of a wind turbine or in a mobile store. In the winter, in particular, in the case of a photovoltaic system, there are regularly incomplete charging processes during which, without the circuit arrangement according to the invention, there would be deviations in the states of charge of supercapacitors connected in series over time. These deviations are avoided by the invention. It can also happen that the programming of the inverter of the photovoltaic system makes a shutdown before the supercapacitors reach the voltage threshold. In this case, the supercapacitors will never be fully charged enough to reach the voltage threshold and switch the bypass circuits into the active state. Therefore, even in the case of a supposed full charge, the bypass circuits do not automatically equalize the charge. The circuit arrangement according to the invention is particularly advantageous in such cases, since it can also provide for an equalization of the charge states below the voltage threshold.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung nach der obigen Beschreibung gelöst. Bei dem Verfahren steuert die Steuereinheit den Schalter der Bypass-Schaltung derart an, dass die Bypass-Schaltung unabhängig von der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand versetzt wird.The object of the invention is also achieved by a method for operating a circuit arrangement according to the above description. In the method, the control unit controls the switch of the bypass circuit in such a way that the bypass circuit is switched to the active state independently of the predefined voltage threshold.
Die Steuereinheit steuert die Schalter mehrerer Bypass-Schaltungen bevorzugt in Abhängigkeit von den an den Eingängen der Steuereinheit anliegenden Potentialen an. Die Potentiale geben, wie oben beschrieben, Aufschluss darüber, welche Kondensatorspannung an jedem Superkondensator anliegt und sind daher als Ausgangspunkt für das Ansteuern der Schalter besonders geeignet.The control unit controls the switches of several bypass circuits, preferably as a function of the potentials present at the inputs of the control unit. As described above, the potentials provide information about which capacitor voltage is present at each supercapacitor and are therefore particularly suitable as a starting point for controlling the switches.
Die Steuereinheit vergleicht bevorzugt die an den Eingängen der Steuereinheit anliegenden Potentiale mehrerer Bypass-Schaltungen miteinander, steuert in Abhängigkeit des Vergleichs die Schalter ausgewählter Bypass-Schaltungen an und versetzt dadurch die ausgewählten Bypass-Schaltungen in den aktiven Zustand. Vorteilhafterweise rechnet die Steuereinheit zunächst die an den Eingängen der Steuereinheit anliegenden Potentiale mehrerer Bypass-Schaltungen mittels eines durch den jeweiligen Spannungsteiler vorgegebenen Faktors in Vergleichswerte um, vergleicht anschließend die Vergleichswerte der Bypass-Schaltungen miteinander, steuert in Abhängigkeit des Vergleichs die Schalter ausgewählter Bypass-Schaltungen an und versetzt dadurch die ausgewählten Bypass-Schaltungen in den aktiven Zustand. Die Werte und Anordnung der Widerstände des Spannungsteilers sind bekannt. Es ist daher möglich, ein an einem bestimmten Eingang der Steuereinheit anliegendes Potential in das Kondensatorpotential, welches zuvor durch den Spannungsteiler reduziert wurde, umzurechnen. Die Kondensatorspannung ergibt sich dann als Differenz der Kondensatorpotentiale zweier benachbarter Superkondensatoren. So können die Kondensatorspannungen jedes Superkondensators als Vergleichswert ermittelt und anschließend miteinander verglichen werden.The control unit preferably compares the potentials of a plurality of bypass circuits present at the inputs of the control unit with one another, controls the switches of selected bypass circuits as a function of the comparison and thereby puts the selected bypass circuits into the active state. Advantageously, the control unit first calculates the potentials present at the inputs of the control unit using a plurality of bypass circuits a factor specified by the respective voltage divider into comparison values, then compares the comparison values of the bypass circuits with one another, controls the switches of selected bypass circuits depending on the comparison and thereby puts the selected bypass circuits into the active state. The values and arrangement of the resistors of the voltage divider are known. It is therefore possible to convert a potential present at a specific input of the control unit into the capacitor potential, which was previously reduced by the voltage divider. The capacitor voltage is then the difference between the capacitor potentials of two adjacent supercapacitors. In this way, the capacitor voltages of each supercapacitor can be determined as a reference value and then compared with one another.
Besonders bevorzugt wird durch den Vergleich ermittelt, welcher Superkondensator die höchste Ladung (Kondensatorspannung) aufweist und nur die diesem Superkondensator zugehörige Bypass-Schaltung wird aktiviert. Auf diese Weise wird nur der Aufladevorgang eines einzigen Superkondensators aufgehalten und alle weiteren Superkondensatoren können „aufholen“. Dadurch geht vergleichsweise wenig elektrische Energie als Wärme verloren. Falls zwei oder mehr Superkondensatoren die gleiche Kondensatorspannung aufweisen, wird bevorzugt die Bypass-Schaltung des ausgehend von der Anode ersten Superkondensators in den aktiven Zustand versetzt.Particularly preferably, the comparison is used to determine which supercapacitor has the highest charge (capacitor voltage) and only the bypass circuit associated with this supercapacitor is activated. In this way, only one supercapacitor is held up from charging, and all other supercapacitors can “catch up”. As a result, comparatively little electrical energy is lost as heat. If two or more supercapacitors have the same capacitor voltage, the bypass circuit of the first supercapacitor, starting from the anode, is preferably switched to the active state.
Alternativ kann durch den Vergleich ermittelt werden, welche Superkondensatoren eine höhere Kondensatorspannung aufweisen als mindestens ein anderer Superkondensator der gleichen Reihe und die Bypass-Schaltungen der Superkondensatoren mit höheren Kondensatorspannungen werden dann in den aktiven Zustand versetzt. In diesem Fall würden alle Superkondensatoren bis auf einen nicht mehr geladen.Alternatively, the comparison can be used to determine which supercapacitors have a higher capacitor voltage than at least one other supercapacitor in the same series, and the bypass circuits of the supercapacitors with higher capacitor voltages are then switched to the active state. In this case, all but one of the supercapacitors would no longer be charged.
Ob eine Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt wird, kann von einer oder mehreren Bedingungen abhängen. Beispielsweise kann eine Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt werden, sobald der ihr zugehörige Superkondensator eine höhere Kondensatorspannung aufweist als mindestens ein weiterer Superkondensator der gleichen Reihe. Alternativ kann erst ab einer gewissen Differenz der Kondensatorspannungen und/oder einer Differenz zu einer bestimmten Anzahl von Superkondensatoren der gleichen Reihe die Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt werden. Die Differenz beträgt bevorzugt unter 10% der Nennspannung und/oder zwischen 0,02 V und 0,2 V.Placing a bypass circuit in the active state may depend on one or more conditions. For example, a bypass circuit can be set to the active state as soon as its associated supercapacitor has a higher capacitor voltage than at least one other supercapacitor in the same series. Alternatively, the bypass circuit can only be switched to the active state after a certain difference in the capacitor voltages and/or a difference to a specific number of supercapacitors in the same row. The difference is preferably less than 10% of the nominal voltage and/or between 0.02 V and 0.2 V.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, eine (höhere) Differenzgrenze für die Kondensatorspannungen festzulegen, bei der die Steuereinheit einen Fehlerfall feststellt und beispielsweise eine Ausgabe in Form eines Alarmsignals, beispielsweise eine rote LED oder ein akustisches Warnsignal, bewirkt. Auch ein automatischer, drahtloser Versand einer Nachricht (bspw. Email, SMS oder Push-Nachricht) an einen vordefinierten Empfänger (bspw. Servicetechnik, Eigentümer, etc.) ist möglich. Eine hohe Differenz zwischen zwei oder mehr Superkondensatoren kann durch die Bypass-Schaltungen mitunter nicht mehr ausgeglichen werden. In solchen Fällen kann die Steuereinheit ferner eine Notfall-Abschaltung initiieren, beispielsweise mittels des Relais, wodurch das Laden sämtlicher Superkondensatoren gestoppt wird.Within the scope of the method according to the invention, it is also possible to define a (higher) difference limit for the capacitor voltages, at which the control unit detects an error and, for example, causes an output in the form of an alarm signal, for example a red LED or an acoustic warning signal. Automatic, wireless sending of a message (e.g. email, SMS or push message) to a predefined recipient (e.g. service technician, owner, etc.) is also possible. A large difference between two or more supercapacitors can sometimes no longer be compensated by the bypass circuits. In such cases, the control unit can also initiate an emergency shutdown, for example by means of the relay, thereby stopping the charging of all supercapacitors.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft dargestellt und erläutert. Es zeigt dabei
-
1 einen Schaltplan einer Schaltungsanordnung -
2 einen Schaltplan einer elektrischen Energiespeichers.
-
1 a circuit diagram of a circuit arrangement -
2 a circuit diagram of an electrical energy storage device.
Die in der
Jeder Superkondensator 12 weist einen Pluspol 17 und einen Minuspol 18 auf. Das Potential an dem Pluspol 17 ist höher und wird auch als Kondensatorpotential bezeichnet. Die an einem der Superkondensatoren 12 anliegende Spannung, also die Potentialdifferenz zwischen Pluspol 17 und Minuspol 18, wird als die jeweilige Kondensatorspannung bezeichnet. Die Superkondensatoren 12 sind jeweils auf eine Nennspannung ausgelegt. Bei der gezeigten Ausführungsform beträgt diese Nennspannung 2,7 V. Die Nennspannung wird erreicht, wenn der jeweilige Superkondensator vollständig geladen ist. Durch die Reihenschaltung weist ausgehend von dem Kathodenanschluss 16 der erste Superkondensator 12 an seinem Pluspol 17 ein maximales Kondensatorpotential von 2,7 V auf. Der nachfolgende, zweite Superkondensator 12 weist hingegen an seinem Pluspol 17 ein maximales Kondensatorpotential von 2*2,7 V = 5,4 V auf.Each
Parallel zu dem Superkondensator 12 ist eine Bypass-Schaltung 30 geschaltet. Die Bypass-Schaltung 30 umfasst eine Mehrzahl von Strängen, die jeweils parallel zu dem Superkondensator 12 geschaltet sind: zwei Bypass-Stränge 40, einen Anzeigestrang 50, einen Reglerstrang 60 und einen Spannungsteilerstrang 70. Die Stränge werden im Folgenden näher erläutert.A
Die Bypass-Stränge 40 sind baugleich und jeweils parallel zu dem Superkondensator 12 geschaltet. Daher wird nur ein Bypass-Strang 40 beschrieben. Der Bypass-Strang 40 umfasst die Laststrecke eines Bypass-Transistors 42, wobei die Laststrecke in Reihe mit einem ersten Widerstand 44 geschaltet ist. Bei dem Bypass-Transistor 42 handelt es sich um einen pnp-Bipolartransistor.The
Der Reglerstrang 60 umfasst die Laststrecke eines Querreglers 62, wobei die Laststrecke mit einem zweiten Widerstand 64 in Reihe geschaltet ist. Bei dem Querregler 62 handelt es sich um einen TL431. Es handelt sich hierbei um einen steuerbaren Querregler 62 mit drei Anschlüssen, einem Anodenanschluss, einem Kathodenanschluss und einem Referenzanschluss. Die Laststrecke verläuft zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss.The
Der Kathodenanschluss des Querreglers 62 ist mit dem Minuspol 18 des Superkondensators 12 verbunden. Zwischen dem Anodenanschluss des Querreglers 62 und dem zweiten Widerstand 64 befindet sich ein Reglerknoten 63, der mit der Basis beider Bypass-Transistoren 42 verbunden ist. Zwischen dem Reglerknoten 63 und der Basis ist jeweils ein dritter Widerstand 46 zum Toleranzausgleich angeordnet. Liegt zwischen dem Referenzanschluss und dem Anodenanschluss des Querreglers 62 eine Spannung unterhalb dessen Schaltschwelle an, sperrt der Querregler 62. Die Basis und der Emitter beider Bypass-Transistoren 42 liegen dann beide auf dem Potential des Pluspols 17. Es fließt somit kein Strom auf der Basis-Emitter-Strecke, sodass die Bypass-Transistoren nicht durchgeschaltet sind. Liegt eine Stromquelle an dem Anodenanschluss 14 und dem Kathodenanschluss 16 an, so wird der Superkondensator 12 geladen. Unterhalb einer durch die Schaltschwelle des Querreglers 62 vordefinierten Spannungsschwelle der an dem Superkondensator 12 anliegenden Kondensatorspannung befindet sich die Bypass-Schaltung 30 somit in einem inaktiven Zustand.The cathode connection of the
Der Spannungsteilerstrang 70 weist einen Spannungsteiler 72 auf. Der Spannungsteiler 72 umfasst zwei in Reihe geschaltete Widerstände, einen fünften Widerstand 73 und einen sechsten Widerstand 74. Zwischen dem fünften Widerstand 73 und dem sechsten Widerstand 74 ist ein Spannungsteilerknoten 75 angeordnet, der mit dem Referenzanschluss, also dem Steuereingang des Querreglers 62 verbunden ist. Das Verhältnis der Widerstände 73, 74 definiert, bei welcher Kondensatorspannung der Querregler 62 seine Schaltschwelle erreicht und schaltet.The voltage divider branch 70 has a voltage divider 72 . The voltage divider 72 includes two series-connected resistors, a
Wird die Schaltschwelle des Querreglers 62 an dessen Referenzanschluss erreicht, leitet der Querregler 62 und die Systemspannung fällt über den zweiten Widerstand 64 ab. Die Basis der Bypass-Transistoren 42 wird daher auf das Potential des Minuspols gezogen, wodurch die Bypass-Transistoren 42 durchgeschaltet, also leitend werden. Dadurch wird die Bypass-Schaltung 30 in den aktiven Zustand versetzt. Auf diese Weise definiert die Schaltschwelle des Querreglers 62 den Schaltpunkt für die Bypass-Transistoren 42. Nach dem Schalten der Bypass-Transistoren 42 fließt ein Teil des Ladestroms an dem Superkondensator 12 vorbei durch den Bypass-Transistor 42 und lädt auf diese Weise den Superkondensator 12 nicht mehr auf. Der Superkondensator 12 wird auf diese Weise zumindest dann vor Überspannung geschützt, wenn der von der Stromquelle zu dem Superkondensator 12 fließende Strom den durch die Bypass-Schaltung 30 um den Superkondensator 12 geleiteten Strom nicht übersteigt.If the switching threshold of the
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst ferner einen Anzeigestrang 50, der einen Anzeigetransistor 52 umfasst. Der Anzeigetransistor 52 wird ebenfalls von dem Querregler 62 angesteuert, sobald dieser seine Schaltschwelle erreicht. Auf diese Weise definiert die Schaltschwelle des Querreglers 62 den Schaltpunkt für den Anzeigetransistor 52. Zwischen dem Reglerknoten 63 und der Basis des Anzeigetransistors 52 ist erneut ein dritter Widerstand 46 zum Toleranzausgleich angeordnet. In der Laststrecke des Anzeigetransistors 52 sind ferner eine Leuchtdiode 54 sowie ein vierter Widerstand 56 in Reihe geschaltet. Erreicht der Querregler 62 seine Schaltschwelle, so schaltet er den Anzeigetransistor 52, woraufhin die Leuchtdiode 54 leuchtet und damit anzeigt, dass sich die Bypass-Schaltung 30 in ihrem aktiven Zustand befindet.The
Die Bypass-Transistoren 42 und der Anzeigetransistor 52 sind bei der hier gezeigten Ausführungsform nominell baugleich (bauähnlich) ebenso wie die dritten Widerstände 46 nominell baugleich sind. Dadurch schalten die Transistoren 42, 52 alle zum annähernd gleichen Zeitpunkt. Die Bypass-Transistoren 42 und der Anzeigetransistor 52 können bei anderen Ausführungsformen unterschiedlich sein. Bevorzugt sind die dritten Widerstände 46 jedenfalls derart an den jeweiligen Transistor 42, 52 angepasst, dass die Transistoren 42, 52 alle zum annähernd gleichen Zeitpunkt schalten.In the embodiment shown here, the
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst ferner einen Optokoppler 90, der eine Sendeseite 92 mit einer Leuchtdiode 94 und eine Empfangsseite 96 mit einem Fototransistor 98 als Schalter 100 aufweist. Die Sendeseite 92 und die Empfangsseite 96 sind galvanisch voneinander getrennt. Die Leuchtdiode 94 wird von einer Steuereinheit 110 der Schaltungsanordnung 10 angesteuert. Hierzu ist die Leuchtdiode 94 einerseits mit einem Ausgang 114 der Steuereinheit 110 verbunden und andererseits mit einem Nullpotential UB0 der Schaltungsanordnung 10 verbunden. Der Schalter 100 ist parallel zu dem Querregler 62 geschaltet.The
Die Steuereinheit 110 ist ebenfalls mit dem Nullpotential UB0 der Schaltungsanordnung 10 verbunden.The
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst ein mit der Steuereinheit 110 verbundenes Display 116, auf dem Informationen zu den Superkondensatoren 12, beispielsweise deren Ladezustand, und den Bypass-Schaltungen 30, beispielsweise deren Zustand (aktiv, passiv), angezeigt werden.The
Der Pluspol 17 jedes Superkondensators 12 ist über eine Schutzschaltung 120 mit jeweils einem eigenen Eingang 112 der Steuereinheit 110 verbunden. Die Steuereinheit 110 erhält auf diese Weise separate Eingangssignale, die von dem jeweiligen Kondensatorpotential der beiden Superkondensatoren 12 abhängen. Die Schutzschaltung 120 weist einen Spannungsteiler 122 mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen, einem siebten Widerstand 123 und einem achten Widerstand 124, auf. Der Spannungsteiler 122 ist an einem Ende mit dem Pluspol 17 verbunden und am anderen Ende mit dem Nullpotential UB0 der Schaltungsanordnung 10 verbunden. Zwischen den Widerständen 123, 124 befindet sich ein Knoten 125 des Spannungsteilers 122. Zu dem achten Widerstand 124 sind ein Kondensator 126 und eine Z-Diode 127 parallel geschaltet. Die Z-Diode 127 und der Kondensator 126 dienen zum Spannungsschutz des Eingangs 112 und zur Sicherstellung der Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Der Knoten 125 des Spannungsteilers ist mit dem Eingang 112 der Steuereinheit 110 verbunden. Daher liegt an dem Eingang 112 ein Eingangssignal in Form eines Potentials an, das geringer ist als das Kondensatorpotential des jeweiligen Superkondensators 12. Die Widerstände 123, 124 des Spannungsteilers 122 sind an das maximale Kondensatorpotential des jeweiligen Superkondensators 12 derart angepasst, dass an dem Eingang 112 maximal 5 V anliegen.The
Die Steuereinheit 110 erhält wie beschrieben an jedem Eingang 112 ein Eingangssignal. Da die Widerstandswerte der Widerstände 123, 124 des jeweiligen Spannungsteilers 122 bekannt sind, kann aus dem Eingangssignal das jeweilige Kondensatorpotential und aufgrund der Reihenschaltung die Kondensatorspannung des jeweiliges Superkondensators 12 ermittelt werden. Weichen die Kondensatorspannungen der beiden Superkondensatoren 12 voneinander ab, kann die Steuereinheit 110 ein weiteres Aufladen des Superkondensators 12 mit der höheren Kondensatorspannung verhindern. Hierzu wird die Bypass-Schaltung 30 des betroffenen Superkondensators 12 in den aktiven Zustand versetzt. Zunächst wird die Leuchtdiode 94 von der Steuereinheit 110 aktiviert, woraufhin sie den Fototransistor 98 durchschaltet. Dadurch wird der Schalter 100 geschlossen. Die Basis der Bypass-Transistoren 42 wird folglich auf das Potential der Kathode gezogen, wodurch die Bypass-Transistoren 42 und auch der Anzeigetransistor 52 durchgeschaltet, also leitend werden. Dadurch wird die Bypass-Schaltung 30 in den aktiven Zustand versetzt. Nach dem Schalten der Bypass-Transistoren 42 fließt ein Teil des Ladestroms an dem Superkondensator 12 vorbei durch den Bypass-Transistor 42 und lädt auf diese Weise den Superkondensator 12 nicht mehr auf.As described, the
Die Bypass-Schaltungen 30 umfassen ferner jeweils eine Sicherung 32, die zwischen dem Pluspol 17 des jeweiligen Superkondensators 12 und der Bypass-Schaltung 30 angeordnet ist. Die Sicherungen 32 unterbrechen den Stromfluss zwischen Superkondensatoren 12 und Bypass-Schaltung 30 im Falle einer extremen Überspannung. Ist eine Sicherung 32 unterbrochen, so kann die Steuereinheit 110 das anhand der Eingangssignale an ihren Eingängen 112 als Fehlerfall erkennen. Bei einem solchen Fehlerfall kann die Steuereinheit 110 beispielsweise den Ladevorgang insgesamt unterbrechen, beispielsweise indem sie ein hier nicht dargestelltes Relais schaltet und damit die Verbindung zwischen der Schaltungsanordnung 10 und einer Spannungsquelle unterbricht.The
Die
Jedem Superkondensator 12 ist eine Bypass-Schaltung 30 parallel geschaltet. Jede Schaltungsanordnung 10 weist eine eigene Steuereinheit 110 auf. Jeder Steuereinheit 110 sind jeweils zwei Superkondensatoren 12 und dazugehörige Bypass-Schaltungen 30 zugeordnet. Jede Bypass-Schaltung 30 ist über zwei Verbindungen mit der jeweiligen Steuereinheit 110 verbunden, wobei wie in
Die Steuereinheiten 110 sind über einen Lichtleiter 117 unter galvanischer Trennung miteinander verbunden. Auf diesem Wege können die Steuereinheiten 110 Informationen austauschen, beispielsweise zu den Ladezuständen der einzelnen Superkondensatoren 12.The
Der Energiespeicher 200 umfasst ferner eine Kommunikationseinheit 210. Die Kommunikationseinheit 210 weist mehrere Schnittstellen (nicht dargestellt) auf, mittels denen von außerhalb des Energiespeichers 200 mit der Kommunikationseinheit 210 kommuniziert werden kann. Die Steuereinheiten 110 sind jeweils über einen Lichtleiter 212, 214 unter galvanischer Trennung mit der Kommunikationseinheit 210 verbunden.The
Der Energiespeicher 200 umfasst ferner ein Display 220, das mit der Kommunikationseinheit 210 verbunden ist. Auf dem Display 220 können insbesondere Informationen angezeigt werden, welche die Kommunikationseinheit 210 von den Steuereinheiten 110 erhält.The
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Schaltungsanordnungcircuit arrangement
- 1212
- Superkondensatorsupercapacitor
- 1414
- Anodenanschlussanode connection
- 1616
- Kathodenanschlusscathode connection
- 1717
- Pluspolpositive pole
- 1818
- Minuspol negative pole
- 3030
- Bypass-Schaltungbypass circuit
- 3232
- Sicherung fuse
- 4040
- Bypass-Strangbypass line
- 4242
- Bypass-Transistorbypass transistor
- 4444
- erster Widerstandfirst resistance
- 4646
- dritter Widerstand third resistance
- 5050
- Anzeigestrangdisplay line
- 5252
- Anzeigetransistordisplay transistor
- 5454
- Leuchtdiodeled
- 5656
- vierter Widerstand fourth resistance
- 6060
- Reglerstrangcontroller line
- 6262
- Querreglercross control
- 6363
- Reglerknotencontroller node
- 6464
- zweiter Widerstand second resistance
- 7070
- Spannungsteilerstrangvoltage divider string
- 7272
- Spannungsteilervoltage divider
- 7373
- fünfter Widerstandfifth resistance
- 7474
- sechster Widerstandsixth resistance
- 7575
- Spannungsteilerknoten voltage divider node
- 9090
- Optokoppleroptocoupler
- 9292
- Sendeseitesending side
- 9494
- Leuchtdiodeled
- 9696
- Empfangsseitereceiving side
- 9898
- Fototransistor phototransistor
- 100100
- Schalter Switch
- 110110
- Steuereinheitcontrol unit
- 112112
- EingangEntry
- 114114
- AusgangExit
- 116116
- Displayscreen
- 117117
- Lichtleiter light guide
- 120120
- Schutzschaltungprotection circuit
- 122122
- Spannungsteilervoltage divider
- 123123
- siebter Widerstandseventh resistance
- 124124
- achter Widerstandeighth resistance
- 125125
- Knotennode
- 126126
- Kondensatorcapacitor
- 127127
- Z-Diode zener diode
- 200200
- Energiespeicherenergy storage
- 210210
- Kommunikationseinheitcommunication unit
- 212212
- Lichtleiterlight guide
- 214214
- Lichtleiterlight guide
- 220220
- Displayscreen
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