DE202008017360U1

DE202008017360U1 - Ladestation zum Laden eines Kondensatorenblocks und Verbraucher zum Entladen desselben

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Publication number: DE202008017360U1
Application number: DE202008017360U
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2018-04-19
Also published as: WO2009127377A1

Abstract

Ladestation zum elektrischen Laden von Kondensatorenblöcken und Verbraucher zum Entladen eines Kondensatorenblocks,
wobei ein Kondensatorenblock aus n gleichen, miteinander verschaltbaren Kondensatoren oder Kondensatorzellen C besteht,
dadurch gekennzeichnet, dass:
die Ladestation eine Einrichtung zur Energiewandlung ist, die auf ihrer Energieentnahmeseite als Spannungsquelle mit zeitlich veränderlicher Quellengleichspannung u₀(t) wirkt,
der Verbraucher R_E(t) mit einem geladenen Kondensatorenblock als Stromquelle in einem vorgegebenen Spannungsbereich U_uBS <= u(t) <= U_oBS betreibbar ist,
ein erster Prozessor P_I während des Ladens die Ladestation und den angeschlossenen Kondensatorenblock überwachungsmäßig und steuerungstechnisch koppelt, den Kondensatorenblock überwacht und die notwendige Verschaltung C_ges einstellt sowie die zyklische serielle Umstellung während einer aktuellen Verschaltung steuert,
ein zweiter Prozessor P_II während des Entladens den Verbraucher R_E(t) und den angeschlossenen Kondensatorenblock koppelt, den Kondensatorenblock überwacht und die Verschaltungen einstellt sowie die zyklische Umstellung während einer aktuellen Verschaltung schaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladestation zum Laden eines Kondensatorenblocks oder paralleler Kondensatorenblöcke mit einer Gleichspannungsquelle der Quellenspannung u₀(t) und einen Verbraucher R_E(t) mit dem Betriebsspannungsbereich U_uBS <= u(t) <= U_oBS zum Entladen eines solchermaßen geladenen Kondensatorenblocks. Dabei besteht ein Kondensatorenblock aus n gleichen Kondensatoren C oder Kondensatorzellen C, die von einer reinen Parallelschaltung über Serienschaltungskombinationen aus Parallelgruppen und Einzelkondensatoren bis zur reinen Serienschaltung elektronisch miteinander verschaltet werden können.
Das natürliche Laden und Entladen eines Kondensators ist ein bekannter, einfacher elektrophysikalischer Vorgang, der zeitlich von der Kapazität des Kondensators und dem ohmschen Widerstand im Ladestromkreis bestimmt wird. Das Laden eines Kondensators auf seine Nennspannung U_N mit einem Ladegerät, dessen Ladespannung gleich der Nennspannung ist, ist ein theoretisch unendlich langer Vorgang. Die minimale Ladespannung sollte daher größer als die Nennspannung des zu ladenden Kondensators C sein, um ihn bei Erreichen der Nennspannung U_N vom Ladegerät zu trennen. Auch das völlige Entladen in eine Last R_E ist theoretisch ein unendlich langer Vorgang. Elektrisch zu betreibende Geräte haben jedoch üblicherweise einen Betriebsspannungsbereich U_uBS <= u(t) <= U_oBS, in dem sie arbeiten, d. h. bei Unterschreiten der unteren Betriebsspannungsschranke U_uBS arbeiten sie nicht mehr im Nennbetrieb, wie beispielsweise ein von einem Akkumulator betriebenen Gerät, wie ein Schrauber oder eine Bohrmaschine, bekannt ist.
Ist ein Kondensator eine Energiequelle zum Betreiben eines Geräts, kann dieser bis auf eine untere Betriebsspannungsschranke U_uBS entladen werden. D. h. unverbraucht bleibt auf dem Kondensator die Energie 0,5CU_uBS2 sitzen. Es wird lediglich die Energiedifferenz 0,5C(U_N ² – U_uBS ²) genutzt, bzw. kann genutzt werden.
In der DE 602 01 615 wird ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug beschrieben, bei dem das Antriebssystem u. a. einen oder mehrere Superkondensatoren aufweist. Die Einheit zum Steuern des an das Rad des Fahrzeugs angelegten Drehmoments nutzt die sich von der anderen elektrischen Energiequelle unterscheidende elektrische Energiespeichervorrichtung prioritär, um die im Fall einer Anforderung eines Antriebsmoments notwendige Energie für den Antrieb des Fahrzeugs zu liefern. Im andern Fall, nämlich der Bremsanforderung wird die elektrische Energiespeichervorrichtung im Verhältnis zur Nutzung jeder anderen Bremsvorrichtung prioritär aufgeladen.
Kondensatoren C haben gegenüber Akkumulatoren den Vorteil, dass sie einfach und schnell mit einer typischen Zeitkonstanten τ = RC aufgeladen werden können. Mehr ausnutzen lässt sich die gespeicherte Energie aus zwei gleichen, zunächst parallel zueinander sitzenden Kondensatoren C, die nach Erreichen der unteren Betriebsspannungsschranke U_uBS seriell zu einander geschaltet werden, da sie dann, mit der doppelten unteren Betriebsspannungsschranke beginnend, weiter entladen werden. Die nutzbare Energie ist dann 0,5C(U_N ² – 0,5U_uBS ²). Bei mehr als 2 gleichen Kondensatoren C bzw. auch schon mit 2 verschiedenen Kondensatoren wird die Umschaltung von der Parallelschaltung auf serielle Schaltungen bei einer Entladung problematisch, da kleine serielle Teilkapazitäten schneller als große geladen oder entladen werden, ja sogar bis zur Spannungskompensation umgeladen werden, bzw. im schlechten Fall durch Überschreiten der Nennspannung U_N zerstört werden.
Wird ein Kondensator C als Energiespeicher genutzt, muss er zunächst an einem Ladegerät geladen werden. Üblicherweise und im einfachsten Fall geschieht das mit einer Konstantspannungsquelle, die dazu selbst an ein Energieverteilungsnetz angeschlossen ist. n gleiche Kondensatoren C parallel auf ihre Nennspannung aufladen, bedeutet eine darin gespeicherte Energie von 0,5nCU_N ². Wird diese Parallelschaltung nach Erreichen der unteren Betriebsspannungsschranke U_uBS direkt auf die reine Serien schaltung umgeschaltet, bleibt auf den Kondensatoren die Energie 0,5(C/n)U_uBS ² übrig. Es könnten also die Energie 0,5(nU_N ² – (1/n)U_uBS ²)C genutzt werden. Zu prüfen ist: Kann die Spannung von nU_uBS zu Beginn der reinen Serienverschaltung isolationstechnisch beherrscht werden? Je größer n, umso sensibler diese Problematik.
Daraus ergab sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich: es soll ein Kondensatorenblock oder es sollen Kondensatorenblöcke aus oder jeweils aus n gleichen, miteinander verschaltbaren Kondensatoren C oder Kondensatorzellen C an einer Ladestation, die als Spannungsquelle mit zeitlich veränderlicher Quellenspannung u₀(t) wirkt, bis auf eine vorgegebene Nennspannung U_N = U_oBS aufgeladen werden und ein geladener Kondensatorenblock in eine elektrische Last R_E(t) mit vorgegebenem Betriebsspannungsbereich U_uBS <= u(t) <= U_oBS entladen werden können.
Die Aufgabe wird durch eine Ladestation zum elektrischen Laden von Kondensatorenblöcken und einen Verbraucher zum Entladen eines Kondensatorenblocks gemäß Anspruch 1 gelöst, wozu ein Energiewandler als Ladestation und damit Gleichspannungsquelle u₀(t) bzw. ein Verbraucher R_E(t) gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 eingesetzt, bzw. verwendet wird.
Das Verfahren zum Laden eines Kondensatorenblocks mit einer Gleichspannungsquelle mit zeitveränderlicher Quellenspannung u₀(t) und das Verfahren zum Entladen in einen Verbraucher R_E(t) mit vorgegebenem Betriebsspannungsbereich U_uBS <= u(t) <= U_oBS ist elektrotechnisch als Laden des Kondensatorenblocks mit einer Spannungsquelle und Entladen des geladenen Kondensatorenblocks als Stromquelle in einen Verbraucher zu sehen. Ein Kondensatorenblock besteht aus n gleichen Kondensatoren C, die mit elektronischen Mitteln/Schaltern, wie Transistoren, miteinander verschaltet werden können, so dass beim Laden oder Entladen die Kondensatoren des Kondensatorenblocks zu einer Gesamtkapazitäten C_ges verschaltbar sind.
Für das Laden und Entladen ist folgender Verfahrensschritt gemeinsam:
Ein Kondensator aus den n gleichen Kondensatoren C eines Kondensatorenblocks wird als Referenzkondensator C_ref festgelegt. An ihm wird ständig die Spannung u_ref(t) beim Laden und Entladen abgegriffen und zum Steuern des Ladens an einen ersten, die Spannungsquelle und den Kondensatorenblock verknüpfenden Prozessor P_I übertragen und zum Steuern des Entladens an einen zweiten, den Kondensatorenblock und den Verbraucher R_E(t) verknüpfenden Prozessor P_II übertragen.
Zum Laden des Kondensatorenblocks aus n gleichen Kondensatoren C werden die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:
Aus der Menge aller Möglichkeiten der Parallel- und Serienverschaltung der n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks aus seriellen Stufen n_s, mit 1 <= n_s <= n, mit Parallelgruppen λC von Kondensatoren C, mit 1 <= λ <= n, zu jeweils einer Gesamtkapazität C_ges wird mindestens eine Teilmenge einschließlich der reinen Parallel- und Serienschaltung als Menge zur Verschaltungsauswahl in dem ersten Prozessor P_I abgelegt.
Die Spannung u_ref(t) an dem Referenzkondensator C_ref des zum Laden an die Gleichspannungsquelle u₀(t) angeschlossenen Kondensatorenblock wird von dem ersten Prozessor P_I überwacht und verglichen, um die n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks durch den Prozessor P_I in eine die Ladezeitkonstante τ_L = R_iC_ges und damit Last und Spannung berücksichtigende Gesamtkapazität C_ges zu verschalten, damit sich die Klemmenspannung u(t) in dem Bereich: n_s·u_ref(t) = u(t) <= U_oBS < u₀(t) bewegt. U_oBS ist die einzuhaltende obere Betriebsspannungsschwelle. Aussagekräftig ist der Ladestrom i_L(t) in die Last R_L(t), den zu ladenden Kondensatorenblock. Beim Erreichen der Spannung u_ref(t) = U_N an den Klemmen des Referenzkondensators C_ref wird der Kondensatorenblock von der Spannungsquelle u₀(t) getrennt und steht zur Entladung in eine Last, den Verbraucher R_E(t), bereit. Für das Laden ist entscheidend, dass aus den im Prozessor P_I abgelegten Verschaltungsmöglichkeiten der n Kondensatoren des zu ladenden Kondensatorenblocks über diesen ständig überprüft wird, welche Gesamtkapazität C_ges unter Berücksichtigung der Quellenspannung u₀(t), bzw. des Ladestroms i_L(t) und der Ladezeit für den Ladevorgang zweckdienlich oder am zweckdienlichsten ist. Die Folge der Gesamtkapazitäten C_ges beim Ladevorgang muss keines Falls monoton sein. Sie wird durch die Situation an der Gleichspannungsquelle u₀(t) und das zeitliche Ladeverlangen aus den vorhandenen Verschaltungsmöglichkeiten bestimmt.
Zum Entladen des Kondensatorenblocks aus n gleichen Kondensatoren C werden die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:
Wie zum Laden wird aus der Menge aller Möglichkeiten der Parallel- und Serienverschaltung der n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks aus seriellen Stufen n_s, mit 1 <= n_s <= n, mit Parallelgruppen λC von Kondensatoren C, mit 1 <= λ <= n, zu jeweils einer Gesamtkapazität C_ges mindestens eine Teilmenge einschließlich der reinen Parallel- und Serienschaltung als Menge zur Verschaltungsauswahl in dem zweiten Prozessor P_II abgelegt.
Die Entladung eines geladenen Kondensatorenblocks in die angeschlossene Last R_E(t) wird über den Prozessor P_II mit der reinen Parallelverschaltung begonnen. Die Entladung läuft, an der aktuellen Zeitkonstanten τ_E = R_E(t)C_ges orientiert, ähnlich der Entladung eines RC-Glieds ab. Dazu wird eine Verschaltungsfolge mit größer werdender serieller Verschaltungsstufe n_s und damit einer monoton abnehmenden Folge an Gesamtkapazitäten C_ges. Beim jeweiligen Erreichen der unteren Grenze der Betriebsspannung U_uBS verschaltet der Prozessor P_II die n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks in eine höhere serielle Stufe n_s. Die Klemmenspannung u(t) durchläuft während des Vorgangs die Spannungsgrenzen: U_uBS ≤ u(t) ≤ U_oBS. Beim Erreichen der unteren Spannungsgrenze u_ref(t) = U_uBS/fl am Referenzkondensator C_ref und damit der letzten Verschaltung aus der Entladung: der reinen Serienschaltung mit der kleinsten Gesamtkapazität C_ges = C/n wird der Kondensatorenblock von der Last R_E(t) getrennt.
Gemeinsam für das Verfahren zum Laden und Entladen und unerlässlich dafür ist der folgende Verfahrensschritt oder sind die Verfahrensschritte während dem Bestehen einer aktuellen Verschaltung der n Kondensatoren des Kondensatorenblocks:
Während des Ladens und Entladens des Kondensatorenblocks wird während jeder Verschaltung bei 1 < n_s < n seriellen Stufen die Verschaltung unter Beibehaltung der aktuellen Gesamtkapazität C_ges zum ständigen Ladungsausgleich zwischen den Kondensatoren C mindestens einmal über die elektronischen Schaltmittel wie zur Verschaltung zyklisch umgestellt. Bei der reinen Parallelschaltung der n Kondensatoren des Kondensatorenblocks mit der Gesamtkapazität C_ges = nC werden alle n Kondensatoren stets gleich geladen, eine zyklische Umstellung in dieser Verschaltung ist unnötig. Die Ladung oder Entladung des Kondensatorenblocks in reiner Serienschaltung seiner Kondensatoren C erfolgt ebenfalls gleichmäßig, da die Anfangsladung auf allen Kondensatoren C zu Beginn des Verschaltungszustandes gleich ist. Zum Schutz und damit zur Sicherheit könnten alle n Kondensatoren vor der reinen Serienverschaltung beispielsweise kurz parallel geschlossen werden, um Ladungsausgleich zu erzwingen. Bei lange ungebraucht stehenden Kondensatorenblöcken ist eine solche Schutzmassnahme sinnvoll.
Ist die Klemmenspannung u(t) zwischen dem Kondensatorenblock und der Last im Bereich U_uBS < u(t) = n_s·u_ref(t) < U_oBS, kann ab n = 4 Kondensatoren C pro Kondensatorenblock in einer Verschaltungsstufe der seriellen Verschaltung, bei der eine Folge von wenigsten zwei Gesamtkapazitäten C_ges vorliegt, von dem Prozessor P_II wegen zwischen einer kurzzeitigen und eine langzeitigen Entladung gewählt und verschaltet werden.
Erreicht die Klemmenspannung u(t) zwischen dem Kondensatorenblock und der Last die untere Betriebspannungsschranke u(t) = U_uBS, werden ab n = 3 Kondensatoren C pro Kondensatorenblock die n Kondensatoren C vom dem Prozessor P_II in eine mindestens nächst höhere serielle Verschaltungsstufe n_s <= n verschaltet, d. h. die neue Gesamtkapazität C_ges für die weitere Entladung in die Last R_E(t) ist niedriger geworden.
Beim Erreichen der unteren Grenze u_ref(t) = U_uBS/n während der abschließenden, rein seriellen Verschaltung der n Kondensatoren wird der Kondensatorenblock von der Last R_E(t) genommen. Beim Entladen wird – im Gegensatz zum Laden – beim Wechsel der seriellen Verschaltungsstufen eine monoton abnehmende Verschaltungsfolge für die Gesamtkapazität C_ges durchfahren. In einer festen seriellen Stufe n_s muss das beim Entladen, falls mehr als eine Gesamtkapazitätsverschaltung möglich ist, nicht sein (siehe unten). Dort kann kurzzeitig oder langzeitig entladen werden.
Allgemein gilt für einen Kondensatorenblock aus n gleichen Kondensatoren C, der von der reinen Parallelschaltung, nC, über serielle Stufen n_s aus Parallelgruppen aus λ Kondensatoren C, mit 1 <= λ <= n, bis hin zur reinen Serienschaltung C/n verschaltet werden kann, dass die kleinste Gesamtkapazität der seriellen Stufe n_s größer ist als die größte Gesamtkapazität der Folgestufe n_s + 1.
Der Betriebsspannungsbereich U_uBS <= u(t) <= U_oBS ist beim Entladen in den Verbraucher R_E(t) wegen eines ungefährdeten Nennbetriebs zu beachten. Ein Kondensatorenblock mit n auf Nennspannung geladenen Kondensatoren C könnte zum Entladen in den Verbraucher ohne Sicherheitseinrichtung sofort in die reine Serienschaltung mit C_ges = C/n verschaltet werden und hätte damit zu Beginn der Entladung eine Klemmenspannung von u(0) = nU_N. Ein Kondensatorenblock müsste dazu zumindest isolationstechnisch ausgelegt, dimensioniert sein. Problematisch milder wäre der Fall, dass die auf Nennspannung U_N geladenen n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks zu Beginn des Entladens sofort in eine serielle Verschaltung mit n_s > 1 verschaltet werden. Es wäre dann u(0) = n_sU_N. Diese Fälle sind realisierungstechnisch zwar kein Problem, sollen aber in dem Zusammenhang hier außen vor bleiben.
Es können mehrer Kondensatorenblöcke beim Laden parallel an der Spannungsquelle u₀(t) geladen und beim Entladen parallel in den Verbraucher R_E(t) entladen werden. Die Kondensatorenblöcke werden über ihren individuellen Prozessor P gegenseitig entkoppelt und dadurch unabhängig von den anderen geladen oder entladen werden. D. h. der eine Kondensatorenblock sieht den andern angeschlossenen nicht, wohl aber sieht die Gleichspannungsquelle u₀(t) oder der Verbraucher R_E(t) die angeschlossenen Kondensatorenblöcke parallel.
Das Entladen des voll geladenen Kondensatorenblocks in den Verbraucher R_E(t) beginnt mit der größten Gesamtkapazität C_ges = nC und der zugrunde liegenden Entladezeitkonstanten τ_E = R_E(t)nC. Die Klemmenspannung u(t) bewegt sich dabei in dem Bereich:
Erreicht die Klemmenspannung u(t) die untere Grenzspannungsschwelle U_uBS verschaltet der Prozessor PII in eine serielle Stufe <= n_s um. Es liegt dann die Entladezeitkonstante τ_E = R_E(t)C_gesaktu zugrunde. Zu Beginn dieser neuen Verschaltung ist u(0) <= n_sU_uBS <= U_N. Durch diese Berücksichtigung durch den Prozessor P_II wird die Nennspannung für den Verbraucher R_E(t) nicht überschritten. Für folgende Verschaltung bis hin zur reinen Serienschaltung kommt eine monoton abnehmende Folge der Gesamtkapazitäten zustande, bei der am Beginn jeder neuen Verschaltung auch sein kann: u(0) = U_oBS = U_N, also die obere Spannungsschwelle U_oBS nicht mehr erreicht wird.
Deshalb wird die Anzahl n der Kondensatoren C eines Kondensatorenblocks spezifiziert. Danach ist n = 2^m, mit m = 0; 1; 2; ..., die Verschaltung geht von der reinen Parallelschaltung n_s = 1 aus und geht derart in die neue Verschaltung über, dass bezüglich der neuen seriellen Stufe gilt: n_sneu = 2n_salt. Bei dieser Einstellung bewegt sich die Klemmenspannung in jeder Verschaltung genau zwischen den Grenzspannungsschwellen:
Das hat den Vorteil, dass die Klemmenspannung für das aktuelle C_gesaktu stets die gesamte Spannungsdifferenz: ΔU = U_oBS – U_uBS, mit der zugrunde liegenden aktuellen Zeitkonstant τ_L = R_iC_ges oder τ_E = R_L(t)C_ges ganz durchläuft und damit jeweils das zu durchlaufenden Zeitintervall für die Klemmenspannung u(t) am längsten ist.
Gibt es in einer Stufe von n_s seriellen Stufen mehr als eine Verschaltungsmöglichkeit, also unterschiedliche Gesamtkapazitäten C_ges, – das ist erstmals mit n = 4 Kondensatoren C bei n_s = 2 seriellen Stufen der Fall –, kann durch den Prozessor P_II zwischen diesen Gesamtkapazitäten umverschaltet werden, solange die Klemmenspannung des Kondensatorenblocks sich zwischen den beiden Grenzspannungsschwellen: U_uBS < u(t) < U_oBS = U_N bewegt. Damit ist die zugrunde liegende Entladezeitkonstante τ_E = R_E(t)C_ges während dieses Entladeintervalls variierbar. Das kann auch mit einer ungeraden aber auch mit einer geraden Anzahl n an Kondensatoren C gemacht werden, bei der ist: 2^m ≠ n allerdings dann nicht bis zur reinen Serienschaltung C/n, sondern dann nur bis höchstens 2^m < n.
Die Ladestation mit ihrer elektrischen Wirkung als Gleichspannungsquelle am Ausgang ist eine photovoltaische Anlage beispielsweise, die in einem entlegenen Gebiet aufgestellt und zum Licht/zur Strahlung exponiert ist, oder die photovoltaische Anlage ist auf dem Dach eines Gebäudes montiert. Eine solche Anlage kann eine leistungsmäßig sehr streuende Anlage sein, das hängt ab von der zur Verfügung stehenden Einstrahlfläche. Solarzellen können durch Serien- und Parallelverschaltung zu beliebigen Leistungsabgaben dimensioniert werden. Der elektrische Ausgang der Solarfläche steht als Spannungsquelle bereit, wobei die elektrische Leistungsabgabe mit der Einstrahlintensität variiert und deshalb zeitlich variabel ist. Die Quellenspannung u₀(t) ist deshalb veränderlich.
Andere Energiewandler sind gas-/luftgetriebene Anlagen. Hier wird ein Massestrom zum Treiben eines Generators genutzt. Das ist sehr breit fassbar und überdeckt solche Bereiche wie Windkraftanlagen, Wasserkraftanlagen in Form von Turbinen, Gehzeiten betriebene Anlagen, um auf Energiewandlungsbereiche nur beispielhaft hinzuweisen. Zu solchem Energiewandlungsprinzip von mechanischer Energie (Bewegungsenergie eines Massestroms) sind elektrische Generatoren, im Allgemeinen Drehstromgeneratoren, als eigentliche Wandler notwendig, deren elektrische Ausgangsspannung eine drehzahlabhängige Wechselspannung ist. An den elektrischen Ausgang des Generators schließt sich unmittelbar ein Gleichrichter an, so dass der Ausgang des Gleichrichters als Gleichspannungsquelle mit der drehzahlabhängigen und deshalb zeitveränderlichen Quellenspannung u₀(t) wirkt. Der Vorteil eines Kondensatorenspeichers mit n gleichen Kondensatoren C bestünde darin, dass aufgrund seiner hochvariierbaren Gesamtkapazität C_ges zwischen nC und C/n und damit der Variabilität der Last R_L(t) für die Spannungsquelle u₀(t) (siehe unten in der Beschreibung zum Ausführungsbeispiel) ein mechanisches Getriebe zwischen Rotor und Generator komplett entfallen könnte, womit eine Gewichtseinsparung bestünde und die Wartung des Getriebes im Generatorraum entfiele.
Entscheidend für die Brauchbarkeit und Effektivität des Verfahrens sind:
einerseits die Möglichkeiten der Verschaltung von n gleichen Kondensatoren C eines Kondensatorenblocks von der reinen Parallelschaltung aller n Kondensatoren C mit der höchsten Gesamtkapazität C_ges = nC über Mischverschaltungen aus seriellen Parallelgruppen bis hin zur rein seriellen Verschaltung der n Kondensatoren C mit der kleinsten Gesamtkapazität C_ges = C/n und andrerseits die ständige zyklische Umpositionierung der seriellen Verschaltungsstufen unter Beibehaltung der aktuellen Gesamtkapazität C_ges während einer aktuellen Verschaltung. Letzteres, der ständige Ladungsausgleich unter den Kondensatoren einer aktuellen Gesamtverschaltung, ist entscheidend für das Laden oder Entladen eines Kondensatorenblocks oder von Kondensa torenblöcken. Herkömmliche Akkumulatoren können nämlich nicht untereinander hinsichtlich Ihrer Ladung untereinander ausgeglichen werden.
Beim Laden des Kondensatorenblocks kann deshalb unter Berücksichtigung der Klemmenspannung u(t) und des Ladezustands u_ref(t) immer in eine am besten passende Gesamtkapazität C_ges verschaltet werden. Allerdings kann auch schnell in reiner Serienschaltung bei hinreichend großem u₀(t), weil dann
zugrunde liegt, oder langsam in reiner Parallelschaltung, weil dann τ_L = nR_iC zugrunde liegt, geladen werden. Beim Entladen wird sinnvoll und zweckmäßigerweise mit der größten Gesamtkapazität C_ges = nC das Entladen begonnen.
Rein technisch könnte das Entladen mit einer Verschaltung mit kleinerer Gesamtkapazität begonnen werden, das beträfe den Bereich der Spannungsvervielfachung, der hier nicht betrachtet werden soll. Beim Verschalten in eine Folgeverschaltung zur Entladung muss, um wieder in den Bereich U_uBs <= u(t) = n_s·u_ref(t) <= U_oBS zu kommen, in eine Verschaltung mit kleinerer Gesamtkapazität C_ges verschaltet werden, wobei die Folge der Gesamtkapazitäten C_ges beim Erhöhen der seriellen Stufen mit einer monoton abnehmenden Folge der aufeinander folgenden Gesamtkapazitäten einher geht.
Im Folgenden wird das Verfahren zum Laden eines Kondensatorenblocks oder paralleler Kondensatorblöcke mit einer Gleichspannungsquelle der Quellenspannung u₀(t) und zum Entladen eines Kondensatorenblocks in einen Verbraucher R_L(t) mit Betriebsspannungsbereich U_uBS <= u(t) <= U_oBS, mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 8, die im Einzelnen zeigen:
1 die Situation beim Laden;
2 die Situation beim Entladen;
3 die Situation zum Ladungsausgleich;
4 die Situation zur Umladung;
5 die Verschaltungsmöglichkeiten bei 1, 2 und 3 Kondensatoren;
6 die Verschaltungsmöglichkeiten bei 4 Kondensatoren;
7 die Verschaltungsmöglichkeiten bei 5 Kondensatoren;
8 die Verschaltungsmöglichkeiten bei 8 Kondensatoren;
9a die Verschaltungseinrichtung;
9b die erste Position der Umstellung;
9c die zweite Position der Umstellung;
9d die dritte Position der Umstellung.
In 1 ist die rein elektrische Situation beim Laden eines Kondensatorenblocks einer Gesamtkapazität C_ges schaltungstechnisch dargestellt. Links im Bild befindet sich der Energiewandler, der eine Primärenergie E_prim, Lichtintensität, Luft, Gas, Wasser in die gewandelte Energieform E_el wandelt. Für den angeschlossenen Kondensatorenblock einer aktuellen Gesamtkapazität C_ges wirkt der Energiewandler als Gleichspannungsquelle mit der zeitveränderlichen Quellenspannung u₀(t) und dem Innenwiderstand R_i. Der Kondensatorenblock ist während des Ladens die Last R_L(t) für die Gleichspannungsquelle und besteht aus n gleichen Kondensatoren C, die je nach elektrischer Situation mit der Verschaltungseinrichtung entsprechend der 9 miteinander verschaltet sind oder werden, und zwar rein parallel, rein seriell oder in seriellen Stufen aus rein parallelen Gruppen aus mindestens einem Kondensator C. Aufgrund der zyklischen Umstellung der seriellen Stufen während einer aktuellen Verschaltung wird mit der Messung an einem der n Kondensatoren des Kondensatorenblocks, dem Referenzkondensator C_ref, der Zustand des Kondensatorenblocks ladungs- und damit spannungsmäßig ständig erfasst. Der Kondensatorenblock C_ges wird über den Prozessor P_I mit der Gleichspannungsquelle gekoppelt, über ihn überwacht und hinsichtlich des Ladevorgangs gesteuert.
Zwischen der Gleichspannungsquelle und der angeschlossenen Last R_L(t) besteht die Klemmenspannung u(t), weswegen der Ladestrom i_L(t) durch die Last R_L(t) fließt. Der Kondensatorenblock habe unmittelbar vor dem Laden die Klemmenspannung U_E. Für die fol gende Betrachtung wird der Einfachheit halber angenommen, dass die Quellenspannung u₀(t) = U₀ = konstant sei. Das erleichtert die Veranschaulichung, da ohnehin vorausgesetzt werden muss, dass die zeitliche Änderung der Quellenspannung du₀(t)/dt sehr klein ist und sich innerhalb einiger Ladezeitkonstanten des elektrischen Ladekreises, τ_L = R_iC_ges an der Quellenspannung u₀(t) wenig ändert. Das ist einsichtig, wenn man an die Geschwindigkeit der Änderung der einstrahlenden Lichtintensität oder an das Drehmoment einer Turbine mit mechanisch gekoppeltem Generator denkt.
Für u₀(t) = U₀ = konstant ergeben sich aus dem Ladestromkreis, siehe 1, dann der zeitlich abhängige Ladestrom:
die zeitlich abhängige Klemmenspannung:
und aus beiden Beziehungen die zeitlich abhängige Last R_L(t) an der Spannungsquelle beim Laden:
Abhängig von der auf dem Kondensatorenspeicher verbliebenen Entladespannung U_E ergibt sich ein Lastwiderstand zu Beginn des Ladens von
Die Gesamtkapazität geht nur in die Ladezeitkonstanten τ_L = R_iC_ges ein. Der Anfangsstrom i_L(0) zu Beginn einer neuen Verschaltung ist immer:
Die zugrunde liegende Ladezeitkonstante ist am größten für die reine Parallelschaltung mit der Gesamtkapazität C_ges = nC und am kleinsten für die reine Serienschaltung mit der Gesamtkapazität C_ges = C/n, damit ist die verschaltbare, einstellbare Gesamtkapazität C_ges des Kondensatorenblocks aus dem Bereich:
wählbar. Ist: nU_N < U₀, ist die schnellstmögliche Ladung des Kondensatorenblocks in der reinen Serienschaltung mit der Ladezeitkonstanten
gegeben.
Ist: n_sU_N < U₀ < nU_N, steht für die schnellst mögliche Ladung des Kondensatorenblocks die kleinste Gesamtkapazität C_ges der n_s-ten seriellen Stufung mit der zugrunde liegenden Ladezeitkonstanten
dazu zur Verfügung.
Die Spannungsquelle und damit der Energiewandler kann deshalb wegen der sich zeitlich ändernden Last R_L(t) mit großer Wahlfreiheit für die aktuelle Gesamtkapazität C_ges variabel zwischen einer langzeitigen Ladung, wegen τ_Lp = nR_iC – reine Parallelschaltung –, und einer kurzzeitigen Ladung, wegen
– reine Serienschaltung –, belastet werden. Ladezeitkonstanten τ_L dazwischen sind durch entsprechende serielle Stufungen n_s einrichtbar, bzw. bei genügend zur Verfügung stehender Ladezeit t und der Spannungssituation U_N < u₀(t) kann die natürliche Ladung des Kondensatorenblocks mit der größten Gesamtkapazität C_gesmax = n·C durchgeführt werden, d. h. ohne notwendige Umpositionierung der seriellen Stufen n_s, weil n_s = 1.
Aus diesen Betrachtungen geht unmittelbar hervor, dass das Laden des Kondensatorenblocks nur einsetzen kann, wenn zu Beginn der Ladung, bei welcher aktuellen Gesamtkapazität C_gesaktu auch immer, die Bedingung: u₀(0) = U₀ > U_E vorliegt. Nach drei Ladezeitkonstanten τ = R_iC_ges wäre der Lastwiderstand:
Wird am Referenzkondensator C_ref die Spannung u_ref(t) = u(t)/n_s = U_N erreicht, nimmt der Prozessor P_I den Kondensatorenblock von der Gleichspannungsquelle. Er steht zur Entladung zur Verfügung.
Der oder die Verbraucher R_E(t) wird oder werden in folgendem Spannungsbereich zwischen zwei Spannungsschwellen U_uBS <= u(t) <= U_oBS = U_N betrieben. 2 zeigt beispielhaft und der leichteren Übersicht halber die schaltungstechnische Situation mit einem Kondensatorenblock als Stromquelle für den Verbraucher. Der zweite Prozessor P_II detektiert wiederum die Spannung u_ref(t) am Referenzkondensator C_ref und vergleicht mit der Klemmenspannung u(t). Zu Begin der Entladung des Kondensatorenblocks ist dieser mit seinen n gleichen Kondensatoren in die reine Parallelschaltung verschaltet und hat damit die größte Gesamtkapazität C_ges = nC. Unter der Annahme, dass der Verbraucher zeitlich nicht oder allenfalls langsam und wenig sich ändert, kann das Verhalten der Entladung mit guter Näherung über die aus der 2 abgeleiteten Beziehungen für Strom und Spannung betrachtet werden. Es ist dann nämlich:
oder allgemeiner je nach serieller Stufung n_s:
mit der zugrunde liegenden Zeitkonstanten für die Entladung: τ_E = R_EC_ges, dabei meint U_o(n_s) die obere Spannung zu Beginn der n_s-stufigen Verschaltung, die kleiner U_oBS sein muss. Da beim Erreichen der unteren Spannungsschwelle U_uBS für einen Nennbetrieb der Last R_E(t) in eine andere Verschaltung geschaltet werden, und zwar so, dass die Klemmenspannung u(t) wieder im Betriebsspannungsbereich U_uBS <= u(t) <= U_oBS zum Liegen kommt, muss in eine höhere serielle Stufe n_s < n verschaltet werden. Für die Umschaltung von der reinen Parallelschaltung in die folgende zweistufige Verschaltung n_s = 2 wird das schnell er kennbar. Ist bei der reinen Parallelschaltung, n_s = 1, bei der Entladung die untere Schwelle U_uBS erreicht, ist die Anfangsspannung bei n_s = 2 u(0) = 2U_uBS, bei n_s = 3 u(0) = 3U_uBS, allgemein u(0) = n_sU_uBS bei der neuen Verschaltung aus der reinen Parallelschaltung heraus. Werden die seriellen Stufen n_s unter jeweiliger Entladung sukzessive durchschritten, sind die Spannungsendbedingungen als Spannungsanfangsbedingung in die Folgeverschaltung zu übernehmen. Die rechnerische Ermittlung dazu ist aufwendig. Obige Betrachtungen machen den Vorgang des Entladens während jeder Verschaltung jedoch grundsätzlich klar.
Auf dieser Grundlage ist eine Ladestation, sind Kondensatorenblöcke dimensionierbar und an einen Verbraucher anpassbar.
Kann beim Laden der Kondensatorenblock zwischen den seriellen Stufen 1 <= n_s <= n an die Quellenspannung u₀(t) und als Last angepasst hin und her verschaltet werden, auch bei einer seriellen Stufe n_s zwischen den dort vorhandenen stufengleichzahligen Möglichkeiten, muss beim Entladen die Stufenzahl n_s beim Erreichen der unteren Schwellenspannung bei der neuen Verschaltung erhöht werden. Dies ist aber nur dann unproblematisch, wenn beim Wechsel von einer Verschaltung in eine andere – beim Laden oder Entladen – alle n Kondensatoren gleiche Ladung und damit gleiche Spannung haben. Die Notwendigkeit wird durch die folgenden kurzen Betrachtungen zum Ladungsausgleich und zur Umladung hervorgehoben.
3 zeigt zwei zueinander parallele Kondensatoren der Kapazität mC bzw. nC, m und n seien ganzzahlig. Wirklichkeitsgetreuer wird der Kreis aus den beiden Kondensatoren mC, Widerstand R_a und dem offenen Schalter betrachtet. An beiden Kondensatoren liegt vor dem Einschalten die Spannung U_n0 bzw. die Spannung U_m0. Mit dem Einschalten beginnt der Ausgleichstrom i_A(t) zu fließen. Zu Beginn des Ausgleichvorgangs fließt der höchste Ausgleichstrom
der nach 3 Zeitkonstanten
für den Ladungsausgleichs ganz erheblich vermindert ist, nämlich e^–3 = 0,049787... bzw. etwa auf 4,74% (e^–5 = 0,00674 bzw. 0,674% oder e^–10 = 0,0000454 bzw. 0,00454%), wodurch nahezu Spannungsgleichheit zwischen und damit Ladungsgleichheit auf den beiden Kondensatoren besteht. Dieser Ausgleichsvorgang läuft bei geschlossenem Schalter selbsttätig ab. Ein überlagerter Strom I_E in diese Parallelschaltung und aus ihr heraus berührt den Ladungsausgleich nicht.
Für die Dimensionierung einer Ladestation und des Verbrauchers bzw. umgekehrt eines Kondensatorenblocks aus n gleichen Kondensatoren sind die beiden Zeitkonstanten: τ_L = R_iC_ges für das Laden und τ_E = R_EC_ges für das Entladen, in Beziehung zu der Zeitkonstanten
für den Ladungsausgleich in Beziehung zu setzen, d. h. das Umpositionieren der seriellen Stufen einer aktuellen Verschaltung muss mindestens um ein Vielfaches n_s schneller vor sich gehen als die Verschaltung in eine Folgeverschaltung.
Bei einer Serienschaltung zweier Kondensatoren nC und mC besteht die Gefahr des Umladens der kleineren Kapazität, und zwar um so schneller, je größer der Kapazitätsunterschied ist, falls die beiden seriellen Kondensatoren in einem geschlossenen Kreis zum Liegen kommen. 4 zeigt die Situation beispielhaft, wenn der Strom i_U(t) durch den Widerstand R_L und die beiden Kondensatoren nC und mC fließt. In einem solchen Kreis fließt kein Strom mehr, wenn an den beiden Kondensatoren einander entgegen gesetzte Spannung besteht. Die Spannung am Kondensator nC wird:
und am Kondensator mC:
und somit u_nC + u_mC = 0. Die Umladungsproblematik geht aus den beiden Zählerdifferenzen deutlich hervor. Eine solche Situation muss vermieden werden. Das wird durch das ständige zyklische Umstellen der seriellen Stufen einer aktuellen Verschaltung C_ges gewährt. Bei einer reinen Parallelschaltung ist das wegen des natürlichen Selbstausgleichs nicht nötig. Um in die reine serielle Verschaltung problemlos verschalten zu können, ist das bis zur unmittelbaren C_ges-Verschaltung zuvor wegen der schließlichen Gleichentladung zwingend notwendig.
Die Schaltungsgruppen einer Verschaltung bestehen aus reinen Parallelschaltungsgruppen, die in Reihe zueinander liegen oder aus einer seriellen Mischung aus Parallelschaltungsgruppen und seriellen Kondensatoren, bezüglich der erzeugbaren Gesamtkapazitäten eingerahmt zwischen der reinen Parallelschaltung und der reinen Serienschaltung aller Kondensatoren C des Kondensatorenblocks. Für n = 1; 2; 3 deuten sich die Vorteile der Änderung der Verschaltung der Kondensatoren C eines solchermaßen ausgestatteten Kondensatorenblocks sukzessive an. In 5 ist der Fall für einen Kondensator C, zwei Kondensatoren C und drei Kondensatoren C jeweils als Kondensatorenblock dargestellt.
Ein Kondensator C ist hier trivial. Es besteht nur eine Verschaltungsmöglichkeit. Aus ihm kann die Energie E₁ = 0,5C(U_oBs ² – U_uBS ²) entnommen werden, mehr nicht.
Bei einem Kondensatorenblock aus zwei Kondensatoren gibt es die zwei Verschaltungsmöglichkeiten der reinen Parallel- und der reinen Serienschaltung. Die entnehmbare Energie ist E₂ = 0,5C(2U_oBS ² – (1/2)U_uBS ²). Zwei Verschaltungen können eingestellt werden, nämlich C_ges = 2C und C_ges = C/2, damit bestehen n_s = 2 serielle Stufen. Beide sind zugehörig angedeutet.
Besteht der Kondensatorenblock aus drei Kondensatoren C, bestehen die drei gezeichneten Möglichkeiten der Verschaltung mit C_ges = 3C; 2C/3 und C/3, also n_s = 3 seriellen Stufen. Damit ist hier die Energie E₃ = 0,5C(3U_oBS ² – (1/3)U_uBS ²) entnehmbar. Die Verschaltungswege sind das Durchlaufen der Folge: 3C; 2C/3; C/3, oder nur der Folge: 3C; C/3; hin und zurück für das Laden und von der höheren Gesamtkapazität zur niedrigeren für das Entladen.
6 stellt alle 5 Möglichkeiten der Verschaltung für 4 Kondensatoren eines Kondenstorenblocks dar. Es bestehen n_s = 4 serielle Stufen, wobei es in der zweiten seriellen Stufe, n_s = 2, jetzt erstmalig zwei Möglichkeiten der Verschaltung gibt.
Rechts im Bild neben der, den Verschaltungen sind die Gesamtkapazitäten eingetragen, die nach oben monoton abnehmen, in der zweiten seriellen Stufe von links nach rechts. Es kann somit langzeitlich über die Folge: 4C; C; 2C/5; C/4, und kurzer zeitlich über die Folge: 4C; 3C/4; 2C/5; C/4, entladen werden. Werden keine Schwellspannungen während des Ladens und Entladens bei den Verschaltungen der zweiten seriellen Stufe berührt, kann zwischen ihnen in diesem Spannungsband um- oder hin und her geschaltet werden, das ist durch den gestrichelten horizontalen Pfeil angedeutet (zunehmend vielfältiger in den 7 und 8). Beide Folgen können vollständig oder unvollständig, d. h. durch Überspringen wenigstens einer Folge n_s durchfahren werden. Die Pfeile zwischen den möglichen Gesamtkapazitäten deuten wegen der Übersichtlichkeit lediglich den vollständigen Durchlauf an. Wie oben erläutert, kann jetzt entsprechend die Energie E₄ = 0,5C(4U_oBS ² – (1/4)U_uBS ²) entnommen werden.
7 stellt alle Verschaltungsmöglichkeiten von n = 5 Kondensatoren C dar, es sind 7 Verschaltungsmöglichkeiten. Mit zwei Möglichkeiten in der zweiten seriellen Stufe, n_s = 2, in der dritten seriellen Stufe, n_s = 3, und sonst jeweils noch eine. Rechts neben den Schaltungen sind die Gesamtkapazitäten geschrieben. Es liegt wieder eine vertikale Folge von Gesamtkapazitäten für langzeitliches Entladen vor, nämlich der rechte Durchlauf, und der kurzzeitige Durchlauf links vertikal. Mit zwei und drei seriellen Stufe kann bei U_uBS <= u(t) <= U_oBS wieder umgeschwenkt werden. Die beiden gekreuzten Pfeile weisen darauf hin. Hier ist jetzt entsprechend die entnehmbare Energie E₅ = 0,5C(5U_oBS ² – (1/5)U_uBS ²).
Aus 8a werden die Entwicklung der Vielfalt der möglichen Verschaltungen und damit die Erzeugung von Gesamtkapazitäten ersichtlich. Der Kondensatorenblock hat jetzt 8 miteinander in angegebener Manier verschaltbare Kondensatoren C. Hierzu gibt es insgesamt 22 Möglichkeiten der Verschaltung. Die Verschaltung der 8 Kondensatoren C des Kondensatorenblocks zur Entladung soll derart vor sich gehen, dass die Klemmenspannung u(t) in jeder seriellen Stufe den gesamten Bereich der zwischen der oberen Betriebsspannungsschwelle U_oBS und der unteren Betriebsspannungsschwelle U_uBS durchfährt, also:
Die Verschaltungsmöglichkeiten dazu sind in der Verschaltungsentwicklung von 8a dünn umrandet. Das betrifft die reine Parallelschaltung, n_s = 1, über die Möglichkeit bei der seriellen Stufung n_s = 2, weiter über die der seriellen Stufung n_s = 4 bis schließlich n_s = 8. Für n_s = 2 gibt es, solange
ist, λ = 4 Möglichkeiten in diesem Zeitintervall beliebig nach Zweckmäßigkeit umzuverschalten oder einfach nur eine Verschaltung wenigstens davon auszuwählen. Dasselbe gilt für n_s = 4, eben maximal mit λ = 5 Möglichkeiten (siehe die gestrichelten Pfeile in 8b). Wird die Folge der seriellen Stufung: n_s = 1; 2; 4; 8, durchlaufen, geht damit eine monotone Abnahme der Gesamtkapazitäten von 8C über die seriellen Stufen bis zu C/8 einher. Dabei ist allgemein: die kleinste Gesamtkapazität einer seriellen Stufe n_s ist größer als die größte Gesamtkapazität der Folgestufe n_s + 1, hier mit 1 <= n_s <= 8 (siehe 8b). 8b zeigt weiter die vielfältigen Möglichkeiten der Verschaltung über die seriellen Stufen n_s = 2 und 4 auf, das durch die Pfeilbüschel angedeutet wird. Mit jeweils kleinster Zeitkonstanten wird zur Entladung der linke Randweg: 8C; 7/8C; 5/16C; 1/8C gewählt, mit jeweils größter Zeitkonstanten der rechte Randweg: 8C; 2C; 1/2C; 1/8C, ansonsten beliebig dazwischen. Es kann n = 8 die Energie E₈ = 0,5C(8U_oBS ² – (1/8)U_uBS ²) entnommen werden. Aus den Beispielen: 5 bis 8b, wird ersichtlich, wie mit größer werdendem n ein Kondensatorenblock immer feinstufiger geladen und entladen werden kann.
Die Ermittlung aller möglichen Verschaltungen aus noch mehr Kondensatoren lässt sich nach der aufgezeigten Methode sicher entwickeln. Die Verschaltungen und die jeweils zugehörige Gesamtkapazität sind dadurch in die beiden Prozessoren für das Laden und Entladen eingebbar und die Verknüpfungen für die Überwachung und Steuerung der Vorgänge können eingeprägt werden. Es ist bemerkenswert, wie der Unterschied zwischen aufeinander folgenden Gesamtkapazitäten aus der monoton abnehmenden Folge aller möglichen Gesamtkapazitäten zu einem Kondensatorenblock aus n gleichen Kapazitäten C Richtung reiner Serienschaltung, C_ges = C/n, immer kleiner wird. Eine technisch nutzbare Folge an Verschaltungen zu Gesamtkapazitäten für einen Kondensatorenblock nutzt deshalb vorteilhafterweise eine monoton abnehmende Gesamtkapazitätsteilfolge aus, die zur reinen Serienschaltung hin immer mehr Verschaltungsstufen auslässt, wie für den Fall n = 2^m oben erläutert wurde, um beim Verschalten in die Folgestufe die obere Betriebsspannungsschwelle zu erreichen oder ihr möglicht nahe zu kommen, damit für die aktuelle Verschaltung ausreichend lange eine Betriebsspannungsbereich für den Verbraucher besteht und wegen der Entladezeitkonstanten τ_E = R_L(t)C_gesaktu auch sicher mindestens 1 Umpositionierungszyklus gefahren werden kann (siehe im Folgenden).
Entscheidend für die Durchführung des Verfahrens des Ladens ist die Einstellung einer aktuell notwendigen Verschaltung der n Kondensatoren C eines Kondensatorenblocks zu einer Gesamtkapazität C_ges und die zyklische Umstellung der seriellen Stufen 1 < n_s < n während einer eingenommenen Verschaltung unter Beibehaltung der aktuellen Gesamtkapazität C_ges. Sämtliche Verschaltungsmöglichkeiten in oben angegebener Manier können mit 3(n – 1) Schaltern, die immer am selben Ort also ortsfest sitzen, eingerichtet werden. Das wird am Beispiel eines Kondensatorenblocks mit n = 5 gleichen Kondensatoren C in 9 für den Fall der Gesamtkapazität C_ges = C/2 und der Stufigkeit n_s = 3 beispielhaft vorgeführt.
9a zeigt die Anordnung der 5 Kondensatoren C und die Verknüpfung mit den 3(n – 1) offenen Schaltern. Zwischen zwei auf einander folgenden, gleich angeordneten Kondensatoren C sitzen 3 Schalter, zwei davon verbinden jeweils gleich Kondensatorplatten, einer die beiden verschiedenen. Wird die Klemmenspannung u(t), wie in der Figur angedeutet, abgegriffen, ist die untere Platte des ersten, in der 9a linken Kondensators Potentialbezugspunkt, wie durch das Erdungszeichen stellvertretend angedeutet ist.
In den 9b bis 9d ist jeweils die Verschaltung der 5 Kondensatoren unter Beibehaltung der Gesamtkapazität C_ges = C/2 dargestellt. Aus diesen 3 9b bis 9d geht die Umstellung der drei seriellen Gruppen zum ständigen Ladungsausgleich in den beteiligten 5 Kondensatoren hervor.
In 9b besteht die Stellung der drei Gruppen aus den zwei seriellen Gruppen aus jeweils zwei parallelen Kondensatoren C, seriell gefolgt von dem einen Kondensator C.
In 9c ist derart umgestellt, als einem Kondensator C die beiden seriellen Gruppen aus jeweils zwei parallelen Kondensatoren folgen.
In 9d ist weiter umgestellt, als einer Gruppe aus zwei parallelen Kondensatoren C seriell ein Kondensator C und diesem wiederum seriell die zweite Gruppe aus zwei parallelen Kondensatoren C folgt. Somit ist der Zyklus des Umstellens unter Beibehaltung der festen Gesamtkapazität einmal erfolgt. Es kann dieser aufgezeigte Zyklus der Umpositionierung oder der entgegen gesetzte getaktet werden.
Mit einem komplexen, potentialfreien Schalter lässt sich einerseits die Änderung der Verschaltung zu einer aktuell notwendigen Gesamtkapazität schalten und andrerseits die Umpositionierung der Gruppen der aktuellen Verschaltung unter Beibehaltung der Gesamtkapazität schalten. Für die Umstellung in eine neue Verschaltung zu einer andern Gesamtkapazität wird verhältnismäßig langsam geschaltet im Vergleich zum Umpositionieren, das erheblich schneller vonstatten gehen muss, soll wenigstens ein vollständiger Umstellungszyklus geschaltet werden können. In der DE 10 2008 010 417 ist beispielsweise ein solcher potenti alfreier/potentialungebundener Schalter beschrieben, mit dem mit entsprechender Anzahl Schalter, nämlich 3(n – 1), in beschriebener Weise einerseits von einer aktuellen Verschaltung der n Kondensatoren C in eine neue Verschaltung geschaltet werden kann und andrerseits während einer aktuellen Verschaltung die seriellen Gruppen der Verschaltung unter Beibehaltung der Gesamtkapazität C_ges mindestens einmal zyklisch umpositioniert werden können.
Aufgrund eines ersten Aufbaus eines Kondensatorenblocks aus 10 gleichen Kondensatoren an dem das Laden und Entladen mit Umpositionieren der seriellen Stufen einer aktuellen Verschaltung untersucht wurde, ist ein derzeit ein Demonstrationsobjekt im Bau. Der Energiewandler ist eine solar-elektrische Einrichtung in Form einer Fotovoltaikanlage aus 4 Solarzellen à 80 und somit 320 W Spitzenleistung sowie einer Spannung von 16,5 V. Damit wird der Kondensatorenspeicher eines Fahrzeugs geladen, der den Antriebsmotor als Gleichstrommotor mit 500 W und 36 V Gleichspannung treibt Der Kondensatorenblock besteht aus 66 Kondensatoren à 5 000 F, die auf maximal U_N = 2,7 V aufladbar sind. Somit werden 10 Sonnenstunden 800 Wh gespeichert. Das reicht aus, den Gleichstrommotor 1,6 h zu betreiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 60201615 [0004]
- DE 102008010417 [0075]

Claims

Ladestation zum elektrischen Laden von Kondensatorenblöcken und Verbraucher zum Entladen eines Kondensatorenblocks, wobei ein Kondensatorenblock aus n gleichen, miteinander verschaltbaren Kondensatoren oder Kondensatorzellen C besteht, dadurch gekennzeichnet, dass: die Ladestation eine Einrichtung zur Energiewandlung ist, die auf ihrer Energieentnahmeseite als Spannungsquelle mit zeitlich veränderlicher Quellengleichspannung u₀(t) wirkt, der Verbraucher R_E(t) mit einem geladenen Kondensatorenblock als Stromquelle in einem vorgegebenen Spannungsbereich U_uBS <= u(t) <= U_oBS betreibbar ist, ein erster Prozessor P_I während des Ladens die Ladestation und den angeschlossenen Kondensatorenblock überwachungsmäßig und steuerungstechnisch koppelt, den Kondensatorenblock überwacht und die notwendige Verschaltung C_ges einstellt sowie die zyklische serielle Umstellung während einer aktuellen Verschaltung steuert, ein zweiter Prozessor P_II während des Entladens den Verbraucher R_E(t) und den angeschlossenen Kondensatorenblock koppelt, den Kondensatorenblock überwacht und die Verschaltungen einstellt sowie die zyklische Umstellung während einer aktuellen Verschaltung schaltet.
Lade- und Entladestation für Kondensatorenblöcke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation ei ne photovoltaische Anlage ist, die einem in seiner Intensität zeitlich schwankenden Lichteinfall aussetzbar ist.
Lade- und Entladestation für Kondensatorenblöcke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle ein elektrischer Generator mit Gleichrichter an seinem Ausgang ist und der Generator mit zeitlich nicht konstanter Drehzahl betreibbar ist.