DE202011110005U1

DE202011110005U1 - A new device for charging and discharging a capacitor block chain for electrical energy storage

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Publication number: DE202011110005U1
Application number: DE202011110005U
Authority: DE
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Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: DE102011113233A1

Abstract

Vorrichtung zur Speicherung großer Mengen von elektrischer Energie in einer Speicherkondensator-Block-Kette, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie aus erweiterbaren, in Kaskade geschalteten, dezentral gesteuerten und austauschbaren Speicherkondensator-Blöcken besteht, dass der Speicherkondensator-Block aus Speicherkondensatoren (z. B. Superkondensator, Ultrakondensator, Golden Cap, u. s. w.) und elektronischen Schaltungen zum Vergleichen der Ladespannung, zur Überwachung des Ladezustands und zum Schutz des Speicherkondensators zusammengesetzt ist, wobei beim Laden von elektrischer Energie immer ein Speicherkondensator-Block nach dem anderen sequenziell fortlaufend geladen wird, d. h. erst wenn ein Speicherkondensator-Block vollständig geladen worden ist, sendet er ein Trigger-Signal zum nächsten benachbarten Speicherkondensator-Block zum Starten des Ladevorgangs und beim Entladen geben alle geladenen Speicherkondensator-Blöcke zusammen die gespeicherte elektrische Energie parallel an die Verbraucher ab, wobei ein Speicherkondensator-Block durch zwischengeschaltete Dioden von dessen benachbarten Speicherkondensator-Blocks getrennt bleibt. Der Ladevorgang kann somit durch den erhöhten elektrischen Ladestrom (z. B mehr als einige tausend Ampere) verkürzt werden.Device for storing large amounts of electrical energy in a storage capacitor block chain, which is characterized in that it consists of expandable, cascade-connected, decentrally controlled and interchangeable storage capacitor blocks, that the storage capacitor block consists of storage capacitors (e.g. Supercapacitor, ultracapacitor, golden cap, etc.) and electronic circuits for comparing the charging voltage, for monitoring the charging state and for protecting the storage capacitor, wherein, when charging electrical energy, one storage capacitor block after the other is always charged sequentially, i.e. , H. Only when a storage capacitor block has been fully charged does it send a trigger signal to the next adjacent storage capacitor block to start the charging process and when discharging, all charged storage capacitor blocks together release the stored electrical energy to the consumers, with one storage capacitor -Block remains separated by intermediate diodes from its neighboring storage capacitor blocks. The charging process can thus be shortened by the increased electrical charging current (e.g. more than a few thousand amperes).

Description

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Es handelt sich hier um ein neues Verfahren zum Laden und Entladen von Kondensator-Blöcken, welche in Form einer Kette in einer Kaskaden-Anordnung für elektrische Energiespeicherung miteinander verbunden sind. Mit diesem Verfahren ist es leicht, die Kapazität einer Kondensator-Block-Kette durch Kaskaden-Schaltung zu erhöhen. So ist es praktisch mit diesem Verfahren zu realisieren, große Menge elektrischer Energie in Kondensatoren zu speichern. Durch die Erhöhung der Leistung der Ladenquelle, d. h. durch Erhöhung des Ladestroms oder/und der Ladespannung, kann die Ladezeit in einem linearen Verhältnis proportional gekürzt werden. Alle Kondensator-Blöcke in der Kette haben im Prinzip die gleiche Konfiguration, die gleiche Funktionalität und die gleichen externen Schnittstellen. Daher kann die Kondensator-Block-Kette ohne Begrenzung beliebig erweitert werden, durch einfaches Hinzufügen eines neuen Kondensator-Blocks an das Ende der Kette oder durch einfaches Einfügen in die Kette zwischen den anderen Kondensator-Blöcken. Defekte oder verschlechterte Kondensator-Blöcke beeinträchtigen nicht die Funktionalität für die gesamte Kette. Sie sind einfach zu entfernen bzw. zu ersetzen.This is a new method for charging and discharging capacitor blocks which are connected together in the form of a chain in a cascade arrangement for electrical energy storage. With this method, it is easy to increase the capacitance of a capacitor block chain by cascade connection. So it is practical to realize with this method to store large amount of electrical energy in capacitors. By increasing the power of the charging source, i. H. by increasing the charging current and / or the charging voltage, the charging time can be proportionally shortened in a linear ratio. All capacitor blocks in the chain basically have the same configuration, functionality, and external interfaces. Therefore, the capacitor block chain can be arbitrarily extended without limitation by simply adding a new capacitor block to the end of the chain or by simply inserting it into the chain between the other capacitor blocks. Broken or degraded capacitor blocks do not affect functionality for the entire chain. They are easy to remove or replace.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

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

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

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

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

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

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

Aus den oben genannten Fakten wird ersichtlich, dass die möglichen Anwendungen von Speicherkondensatoren als Energiespeicher immer realistischer und praktischer werden. Das macht sie für die Zukunft umso attraktiver.It can be seen from the above facts that the possible applications of storage capacitors as energy storage always become more realistic and practical. That makes them all the more attractive for the future.

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

In einer parallelen Schaltung kann man eine größere Speicherkapazität erreichen, aber die Betriebsspannung ist niedrig. In einer seriellen Schaltung ist es genau umgekehrt. Für eine gemischte Schaltung mit einer großen Anzahl von Kondensatoren ist es notwendig, beim Laden, Entladen oder bei unterschiedlicher Verbrauchslast die Schaltungskonfiguration zu verändern, um den optimalen Betriebszustand zu erhalten, was sogar in Echtzeit möglich ist.In a parallel circuit one can reach a larger storage capacity, but the operating voltage is low. In a serial circuit it is exactly the opposite. For a mixed circuit with a large number of capacitors, it is necessary to change the circuit configuration during charging, discharging or different consumption load in order to obtain the optimum operating state, which is possible even in real time.

Es gibt dazu schon viele Beiträge, z. B. wird im Patent WO127377 A1 beschrieben, wie man viele Schalter gleichzeitig für eine optimale Schaltkonfiguration betätigen kann, oder im Patent WO002001003302A1 steht, wie man in einem Array zusammengeschlossener Kondensatoren ein optimales Gleichgewicht verwirklichen kann oder wie man mit einen defekten oder verschlechterten Kondensator umgehen soll oder bei einem Betriebsunfall eine Ausfallsicherung erreichen kann, usw.There are already many contributions, z. B. is in the patent WO127377 A1 described how to operate many switches simultaneously for optimum switching configuration, or in the patent WO002001003302A1 is how to achieve an optimal balance in an array of interconnected capacitors or how to deal with a defective or deteriorated capacitor or can achieve a fail-safe in an industrial accident, etc.

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

Nach dem Ladevorgang schaltet man alle Kondensatoren parallel für die Entladung. Dabei ist zu beachten, dass es negative Einflüsse auf die Funktionalität der gesamten Einrichtung haben könnte, falls ein Kondensator inzwischen sich verschlechtert hat oder defekt ist. Daher muss man in der praktischen Anwendung versuchen eine Methode zu entwickeln, möglichst viele Kondensatoren miteinander zu verbinden (in Kaskadenanordnung, unbegrenzt), die Ladezeit so weit es geht zu reduzieren und so viel Energiespeicherkapazität wie möglich für den Verbraucher zur Verfügung zu stellen, unabhängig von der Verschlechterung bzw. vom Defekt einiger Kondensatoren.After charging, all capacitors are switched in parallel for discharge. It should be noted that it could have negative effects on the functionality of the entire device, if a capacitor has since deteriorated or is defective. Therefore, in practical application, one must try to develop a method of connecting as many capacitors as possible (in cascade arrangement, unlimited), reducing the charging time as much as possible and providing as much energy storage capacity as possible to the consumer, regardless of the deterioration or defect of some capacitors.

Nur so kann diese Methode in praktischen Anwendungen eingesetzt werden und gleichzeitig ermöglicht werden, dass neue Kondensatoren, die durch die fortschreitende Entwicklung und neue Technik hergestellt werden können, ins etablierte System (vorhandene Kondensator-Block-Ketten) integriert werden.Only in this way can this method be used in practical applications, while at the same time allowing new capacitors, which can be produced through advancing development and new technology, to be integrated into the established system (existing capacitor block chains).

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

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

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

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

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

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

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

Neu entwickelte Thyristoren mit höherer Schaltleistung führen zu einer weiteren Verkürzung der Ladezeit. Wenn z. B. die Ladeleistung in Megawatt und die Entladeleistung in Kilowatt angegeben ist, ist das Verhältnis der Lade- und Entladezeit 1:1000. Mit diesem Ladeverfahren wird eine neue Möglichkeit zur Anwendung von Superkondensatoren als Energiespeicher eröffnet.Newly developed thyristors with higher switching power lead to a further reduction of the charging time. If z. For example, if the charging power is expressed in megawatts and the discharge power in kilowatts, the ratio of the charging and discharging time is 1: 1000. This charging process opens up a new possibility of using supercapacitors as energy storage.

Detaillierte Beschreibung anhand der ZeichnungDetailed description based on the drawing

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

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

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 127377 A1 [0011]
WO 002001003302 A1 [0011]

Claims

Device for storing large amounts of electrical energy in a storage capacitor block chain, characterized in that it consists of expandable, cascaded, decentralized and replaceable storage capacitor blocks, that the storage capacitor block of storage capacitors (e.g. Supercapacitor, Ultracapacitor, Golden Cap, etc.) and electronic circuits for comparing the charging voltage, for monitoring the state of charge and for protecting the storage capacitor, wherein when charging electrical energy, one storage capacitor block is always sequentially continuously charged after another, ie only when a storage capacitor block has been fully charged does it send a trigger signal to the next adjacent storage capacitor block to start charging and, on discharge, all charged storage capacitor blocks together report the stored electrical energy in parallel the consumer, wherein a storage capacitor block remains separated by its intermediate diodes of its adjacent storage capacitor blocks. The charging process can thus be shortened by the increased electrical charging current (eg more than a few thousand amperes).

Device according to claim 1, characterized in that the storage capacitors do not necessarily have to be equal and balance circuits are not required, and that the operating voltage of the storage capacitors may be low, which is suitable for use of the super capacitor as storage capacitor.

Apparatus according to claim 1, characterized in that all blocks in the chain are basically the same, all blocks are interchangeable, each block can be integrated at any point in the chain without much effort and in case of failure of some blocks, the functionality of the chain not or is minimally affected.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the loading of the blocks in the chain is a successive process, and that only after the loading of a block a trigger signal is generated which triggers the loading of the next block. This continues until all blocks in the entire chain have been loaded.

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

Apparatus according to claim 1 and claim 5, characterized in that the switching capacitor in the block when it is fully charged, quickly disconnects the storage capacitor from the charging source and the charging time is shortened by the high charging current, the electrical resistance of the switching element determines the charging power, all Blocks with the same high charging current can be charged and an adjustment between the charging source and the chain is easy.

Apparatus according to claim 1 and claim 5, characterized in that in one block there is an input interface which receives the trigger signal from the upstream neighbor block, and there is an output interface which sends the trigger signal to the succeeding neighbor block and the input interface is connected directly by a wire to the output interface of the adjacent neighboring block and the output interface is connected directly by a wire to the input interface of the adjacent block next to each other and the blocks together for the charge, discharge and power (for the control electronics in the block) and the Ground line are connected.

Apparatus according to claim 1 and claim 5, characterized in that there is a block in a block, which serves to separate the storage capacitor from the storage capacitors in the neighboring blocks and this circuit allows the current direction only to the consumer and in case of failure of some storage capacitors, the functionality of maintains whole chain.

Apparatus according to claim 1 and claim 5, characterized in that the charging process can take place at any time, regardless of the state of charge of the chain, d. H. regardless of whether it is not, partially or almost completely charged or whether it is currently in the discharge state and the chain after charging always reaches the predefined operating voltage, regardless of whether the whole chain is fully charged or not.

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