DE60206447T2

DE60206447T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Ausbalancieren von Superkapazitäten

Info

Publication number: DE60206447T2
Application number: DE60206447T
Authority: DE
Inventors: Philippe Desprez; Gerard Barrailh; Pascal Lavour; Stephane Rael; Fadi Sharif; Bernard Davat
Original assignee: Saft Finance SARL
Current assignee: Saft Finance SARL
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: EP1274105B1; US6777917B2; FR2826203B1; DE60206447D1; EP1274105A1; US20030020435A1; FR2826203A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Aufladen mindestens eines Superkondensators, das heißt eines Superkondensators oder mehrerer Superkondensatoren, insbesondere ausgebildet zum Abgleichen von Superkondensatoren.
Superkondensatoren sind bekannte Bauelemente und werden derzeit als Energiequellen in Hochleistungs-Anwendungsfällen entwickelt, namentlich für das Starten von Motoren, als Zusatz-Energiebringer für Hybridfahrzeuge sowie unterbrechungsfreie Energieversorgungen. Bei dieser Art von Anwendungen besteht die Notwendigkeit, Energiequellen bereitzustellen, die sich rasch aufladen lassen und eine große Anzahl von Zyklen durchlaufen können, wie es der Fall bei Superkondensatoren im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien ist.
Die Superkondensatoren können in kurzen Zeitspannen besonders hohe Leistungen liefern. Die charakteristische Entladezeit (oder Ladezeit) eines Superkondensators liegt in der Größenordnung von einigen Sekunden bis einigen zehn Sekunden, eine Zeitspanne, während der die spezifischen Leistungen von mehr als 1 kW/kg bereitgestellt werden können. Die Superkondensatoren haben im Einzelfall Kapazitäten von einem Farad bis etwa 3500 F bei sehr geringen Widerständen, die unter mΩ bei Bauteilen höchster Kapazität liegen.
Beim Laden solcher Superkondensatoren ist es wichtig, daß nicht die Maximalspannung an den Anschlüssen des Superkondensators überschritten wird. Dementsprechend ist es bekannt, das Aufladen eines Superkondensators in der Weise zu steuern, daß der Ladevorgang beendet wird, sobald die Spannung an den Klemmen einen vorbestimmten Wert erreicht. Sollte die Spannung diesen vorbestimmten Wert übersteigen, beschleunigt sich die Alterung des Superkondensators, was die Eigenständigkeit und die Leistungsfähigkeit verringert.
Außerdem verwendet man im allgemeinen mehrere in Reihe geschaltete Superkondensatoren, um ein Superkondensator-Modul zu bilden. Die oben angesprochenen Anwendungsgebiete erfordern im allgemeinen Spannungen, die einige zehn Volt übersteigen, möglicherweise sogar einige hundert Volt. In diesem Fall beobachtet man am Ende der Aufladung des Superkondensatormoduls eine Streuung der Kennwerte der Superkondensatoren untereinander, namentlich bei der Klemmenspannung der Superkondensatoren. Zurückzuführen ist dies auf eine Streuung der individuellen Eigenschaften jedes Superkondensators innerhalb des Moduls (Reihenwiderstand und Kapazität), auf das Altern der Superkondensatoren und möglicherweise auf einen innerhalb des Moduls vorhandenen Temperaturgradienten, der durch die Umgebung bedingt ist. Dies führt zu unterschiedlichen Leckströmen bei jedem der Superkondensatoren des Moduls und mithin zu unterschiedlichen Spannungen am Ende des Ladevorgangs bei jedem der Superkondensatoren.
Dieses Problem führt zu einer Beeinträchtigung der Funktionsweise des Superkondensatormoduls. Tatsächlich kann es vorkommen, daß einige der Superkondensatoren des Moduls Spannungen erreichen, die über der Nenn-Ladespannung liegen, was ihre Kennwerte verschlechtert und zu ihrer frühzeitigen Alterung führt. Dementsprechend kann das Modul in seiner Gesamtheit nicht korrekt arbeiten.
Um dieses Problem zu lösen, schlägt die EP-0 564 149 vor, zu den Anschlüssen jedes Superkondensators eines Superkondensatormoduls eine Abzweigschaltung, im folgenden auch als Bypass bezeichnet, anzuordnen, welche einen MOS-Transistor enthält, der bei einer vorbestimmten Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators eine Umschaltung vornimmt, um einen Nenn-Abzweigstrom oder Bypass-Strom abzuzweigen.
Dennoch führt die Ausführung dieser Maßnahme zu gewissen Schwierigkeiten. So zum Beispiel verlangt diese Art von Abzweigschaltung die Verwendung einer Ladestromstärke, die dem Nenn-Bypass-Strom am Ende des Ladevorgangs entspricht. Wenn man den Ladevorgang eines Superkondensators bei einer Stromstärke fortsetzt, die wesentlich oberhalb der Nenn-Bypass-Stromstärke liegt, besteht das Risiko einer Überladung des Superkondensators und mithin einer Verringerung seiner Lebensdauer. Folglich wird durch einen geringen Ladestrom entsprechend der Nenn-Bypass-Stromstärke die Zeitdauer am Ende des Ladevorgangs beträchtlich verlängert.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zum Aufladen eines Superkondensators anzugeben, welches die Möglichkeit bietet, die Aufladung des Superkondensators mit einer Stromstärke fortzusetzen, die größer ist als die Nenn-Bypass-Stromstärke, wenn die Bypass-Schaltung mit einer Abzweigung des Stroms begonnen hat, um auf diese Weise die Zeitspanne am Ende des Aufladevorgangs zu verringern.
Im folgenden wird von der Aufladung und dem Ausgleich oder Abgleich sowohl eines einzelnen Superkondensators (dabei handelt es sich eher um die Steuerung der Ladespannung des Superkondensators) als auch eines Superkondensatormoduls gesprochen.
Die vorliegende Erfindung schlägt zu diesem Zweck ein Verfahren zum Aufladen von mindestens einem Superkondensator vor, umfassend einen Schritt des Abzweigens des in dem Superkondensator fließenden Stroms derart, daß, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators einen als Schwellenspannung bezeichneten, vorbestimmten Wert erreicht, der Abzweigstrom einen als Nenn-Abzweigstrom bezeichneten Maximalwert annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren einen Schritt der Steuerung des Ladestroms des Superkondensators als Funktion der Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators mittels einer logischen Funktion zur Spannungsdetektierung, bezeichnet als Optimierungsfunktion, enthält, geeignet für den Wechsel aus einem sogenannten aktivierten Zustand in einen sogenannten deaktivierten Zustand, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators eine erste vordefinierte Spannung übersteigt, die größer ist als die Schwellenspannung, um anschließend in den aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators unter eine zweite vordefinierte Spannung fällt, die kleiner oder gleich der ersten vordefinierten Spannung ist.
Dank der Erfindung kann man mit dem Aufladen des Superkondensators bei einer Stromstärke fortfahren, die größer ist als die Nenn-Bypass-Stromstärke, nachdem der Abzweig vorgang begonnen hat, wobei der Ladestrom als Funktion der Klemmenspannung des Superkondensators überprüft wird, ohne daß die Gefahr besteht, daß eine vorbestimmte Spannung überschritten wird, welche die Lebensdauer des Superkondensators verringern könnte. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht mithin eine Optimierung der Aufladezeit, ohne dabei den Superkondensator zu beeinträchtigen.
Vorzugsweise ist das mit der Optimierungsfunktion bereitgestellte Signal ein Hysterese-Signal.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren einen Schritt des Aufladens des Superkondensators mit einer Ladestromstärke oberhalb der Nenn-Bypass-Stromstärke und die Fortsetzung dieses Aufladevorgangs solange, wie die Optimierungsfunktion sich im aktivierten Zustand befindet.
In vorteilhafter Weise nimmt, sobald die Klemmenspannung des Superkondensators auf einen als Referenzspannung bezeichneten Spannungswert zurückkehrt, der unterhalb der Schwellenspannung liegt, die Bypass-Stromstärke einen Wert an, der beträchtlich unterhalb der Leckstromstärke des Superkondensators liegt.
In einer Variante entspricht die Kennlinie des Bypass-Stroms in Abhängigkeit der Klemmenspannung des Superkondensators einem Hysterese-Signal.
Die Eigenschaft „ganz oder gar nicht" des Abzweigstroms in Abhängigkeit der Klemmenspannung des Superkondensators hat also die Form einer Hysterese und ermöglicht eine Steigerung der Stabilität im Fall einer Spannungsschwankung am Superkondensator, die beispielsweise zurückzuführen ist auf eine rasche Änderung des Ladestroms.
Bei einer Ausführungsform enthält das Verfahren einen Schritt des Filterns von hochfrequenten Oberwellen der Klemmenspannung des Superkondensators.
Die Verwendung eines Tiefpaßfilters ermöglicht das Ausfiltern von hochfrequenten Oberwellen der Klemmenspannung des Superkondensators, welche hervorgerufen werden durch eine hochfrequente Zerhackung des Ladestroms.
In einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren einen Schritt der Neuinitialisierung des Laders in Abhängigkeit der Klemmenspannung des Superkondensators mit Hilfe einer logischen Spannungsdetektorfunktion, bezeichnet als Neuinitialisierungsfunktion und geeignet für einen Übergang aus dem aktivierten in einen deaktivierten Zustand, sobald die Klemmenspannung des Superkondensators eine dritte vordefinierte Spannung übersteigt, die kleiner oder gleich ist als die erste vordefinierte Spannung, um anschließend in den aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn die Spannung an den Klemmen des Superkondensators unter einen vierten vordefinierten Spannungswert gelangt, der niedriger ist als der zweite vordefinierte Spannungswert.
In vorteilhafter Weise beinhaltet das Verfahren einen Schritt des Detektierens einer Minimum-Sicherheitsspannung an den Klemmen des Superkondensators mit Hilfe einer logischen Spannungsdetektorfunktion, bezeichnet als Minimumspannungs-Detektorfunktion und geeignet für einen Übergang aus dem aktivierten Zustand in den deaktivierten Zustand, wenn die Klemmenspannung des Superkondensators einen fünften vordefinierten Spannungswert übersteigt, um anschließend in den aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn die Spannung an den Klemmen des Superkondensators unter einen sechsten vordefinierten Spannungswert gelangt.
Sobald die Klemmenspannung des Superkondensators sehr niedrig wird (bei einer Entladung), ermöglicht die Detektorfunktion eine Verringerung der Entladestromstärke.
In vorteilhafter Weise beinhaltet das Aufladeverfahren einen Schritt des Aufladens einer Mehrzahl von Superkondensatoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierungsfunktion aus einem aktivierten in einen inaktivierten Zustand wechselt, wenn mindestens eine der Klemmenspannungen der Superkondensatoren die erste vordefinierte Spannung über steigt, um in den aktivierten Zustand zurückzukehren, sobald jede der Klemmenspannungen der Superkondensatoren unter die zweite vordefinierte Spannung abfällt.
In vorteilhafter Weise beinhaltet das Aufladeverfahren einen Schritt des Ladens einer Mehrzahl von Superkondensatoren und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Neuinitialisierungsfunktion aus einem aktivierten in einen deaktivierten Zustand übergeht, wenn mindestens eine der Klemmenspannungen der Superkondensatoren die dritte vordefinierte Spannung übersteigt, um in den deaktivierten Zustand zurückzukehren, sobald jede der Klemmenspannungen der Superkondensatoren unter die vierte vordefinierte Spannung fällt.
In vorteilhafter Weise ist das Aufladeverfahren mit einem Schritt des Aufladens mehrerer Superkondensatoren dadurch gekennzeichnet, daß die Minimumspannungs-Detektorfunktion von einem aktivierten in einen deaktivierten Zustand übergeht, wenn jede der Spannungen an den Klemmen der Superkondensatoren die fünfte vordefinierte Spannung übersteigt und in den aktiven Zustand zurückkehrt, wenn mindestens eine der Klemmenspannungen der Superkondensatoren unter die sechste vordefinierte Spannung fällt.
In vorteilhafter Weise ist das Ladeverfahren mit einem Schritt des Ladens mehrerer Superkondensatoren gekennzeichnet durch einen Schritt des Detektierens der Streuung der Klemmenspannungen der Superkondensatoren mit Hilfe einer logischen Spannungsdetektorfunktion, bezeichnet als Streuungsdetektorfunktion, wobei die Streuungsdetektorfunktion aus einem aktivierten in einen deaktivierten Zustand übergeht, wenn jede der Klemmenspannungen der Superkondensatoren eine siebte vordefinierte Spannung übersteigt und in den aktivierten Zustand zurückkehrt, wenn mindestens eine der Klemmenspannungen der Superkondensatoren unter eine achte vordefinierte Spannung abfällt.
Die Kombination aus der Optimierungsfunktion des Ladevorgang-Endes und dieser Streuungsdetektorfunktion gestattet das Erkennen einer beträchtlichen Ungleichheit der Klemmenspannungen der Superkondensatoren innerhalb eines Superkondensatormoduls.
Schließlich ist Gegenstand der Erfindung außerdem ein System zum Durchführen des vorgenannten Verfahrens, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

– mindestens einen Superkondensator,
– eine Abzweigschaltung mit einem als schaltendes Element arbeitenden Transistor, der zu den Anschlüssen des Superkondensators parallelgeschaltet ist,
– eine Ladeeinrichtung,
– eine Detektoreinheit, die mindestens ein logisches Signal liefert, welches repräsentativ ist für die Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators, wobei das logische Signal an die Ladeeinrichtung geliefert wird.

In vorteilhafter Weise enthält das System ein Tiefpaßfilter, welches zu den Klemmen des Superkondensators parallelgeschaltet ist.
In einer ersten Ausführungsform enthält das System mehrere in Serie geschaltete Superkondensatoren und eine Bypass- oder Abzweigschaltung, die zu den Anschlüssen jedes der Superkondensatoren parallelgeschaltet ist.
In einer zweite Ausführungsform enthält das System eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Superkondensatoren, wobei eine Abzweig- oder Bypass-Schaltung als einzige Schaltung zu den Klemmen der Anordnung aus Superkondensatoren parallelgeschaltet ist.
In einer dritten Ausführungsform enthält das System eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Superkondensatoren, wobei eine einzige Bypass- oder Abzweigschaltung zu den Anschlüssen der Gruppe von Superkondensatoren parallelgeschaltet ist.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, die lediglich beispielhaft und in keiner Weise beschränkend ist.
In den Figuren zeigen:
1 ein Prinzipschema eines Aufladesystems zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem einzelnen Superkondensator,
2 das Prinzipschema eines Aufladesystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem aus mehreren Superkondensatoren bestehenden Modul,
3 ein Beispiel für eine Kennlinie des Bypass-Stroms und der Optimierungsfunktion gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit der Klemmenspannung des Superkondensators,
4 ein Beispiel für den Verlauf der Spannung an den Klemmen eines Superkondensatormoduls, der Ladestromstärke eines Superkondensatormoduls, der Klemmenspannung einer der Superkondensatoren des Moduls, der Bypass-Stromstärke und der Optimierungsfunktion in Abhängigkeit der Aufladezeit unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In sämtlichen Figuren tragen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen.
In 1 erkennt man ein Ladesystem 10 gemäß der Erfindung, enthaltend einen Superkondensator 11, an dessen Klemmen eine als Abzweig- oder Bypass-Schaltung bezeichnete Schaltung 12 parallelgeschaltet ist, in der ein Bypass- oder Abzweigstrom I_BP fließt, wobei die Schaltung 12 einen Leistungs-MOS-Transistor enthält, der als schaltendes Bauelement fungiert. Parallel zu den Anschlüssen des Superkondensators 11 ist ein Tiefpaßfilter 13 geschaltet, welches im Fall einer hochfrequenten Zerhackung des Ladestroms I_C notwendig ist, welche Spannungsoberwellen erzeugt, die der korrekten Funktionsweise der Bypass-Schaltung 12 entgegensteht. Schließlich erzeugt eine mit dem Filter 13 verbundene Detektoreinheit 14 zwei logische Ladungsverwaltungsfunktionen F₀ und F₁, hier als Optimierungsfunktion bzw. Neuinitialisierungsfunktion bezeichnet, deren Auswertung durch den Lader 15 des Superkondensators 11 insbesondere eine Optimierung der Ladezeit ermöglicht, ohne den Superkondensator zu beschädigen, und außerdem eine Neuin itialisierung des Laders ermöglicht. Das Filter 13 erzeugt eine gefilterte Spannung V, repräsentativ für die Spannung an den Klemmen des Superkondensators 11 ohne Spannungsoberwellen. Die Spannung V steuert die Schaltung 12 und die Einheit 14.
2 zeigt ein System 20 zum Aufladen eines Superkondensatormoduls mit mehreren (in 2 mit sechs) Schaltungen 10₁ bis 10₆ der in 1 dargestellten Art. Jedes Element einer Schaltung 10_n (n nimmt einen der Werte von 1 bis 6 bei dem in 2 gezeigten Beispiel an) enthält gleiche Elemente wie die in 1 gezeigte Schaltung, wobei Bezugszeichen mit gleicher Ziffer einen Index aufweisen, der sich auf die Reihenfolge dieser Schaltungen innerhalb des Moduls 20 bezieht. Der Lader 15 und die Detektoreinheit 14 sind für sämtliche Superkondensatoren 11₁ bis 11₆ gemeinsam vorgesehen.
Erfindungsgemäß werden die Spannungen V_i jeder Schaltung 10 in der Detektoreinheit 14 kombiniert, um logische Funktionen F₀ und F₁ zu generieren, wobei diese beiden Logikfunktionen zu dem Lader 15 geleitet werden. Im folgenden soll die Arbeitsweise der Bypass-Schaltung 12 (oder 12₁ bis 12₆ ) zur Zeit des Ablaufs des erfindungsgemäßen Aufladeverfahrens anhand der 3 und 4 erläutert werden.
3 zeigt ein Beispiel für eine Kennlinie des Bypass-Stroms I_BP und der Optimierungsfunktion F₀ gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit der Klemmenspannung V des Superkondensators.
Die ausgezogene Kurve 21 stellt die Optimierungsfunktion F₀ in Abhängigkeit der Klemmenspannung V des Superkondensators dar.
Die gestrichelte Kurve 22 stellt den Bypass-Strom I_BP in Abhängigkeit der Klemmenspannung V des Superkondensators dar.
Man unterscheidet folgende Zonen in der eine Hysterese darstellenden Kennlinie des Bypass-Stroms in Abhängigkeit der Spannung V:

– Wenn die Spannung V unter einer als Schwellenspannung V_S bezeichneten Spannung liegt, hat der Bypass-Strom I_BP eine Stärke, die beträchtlich geringer ist als der Leckstrom des Superkondensators 11.
– Sobald die Spannung V die Spannung V_S erreicht, schaltet der Transistor der Bypass-Schaltung 12 um, und der Bypass-Strom I_BP nimmt einen Wert an, der sich zwischen einigen Milliampere und einigen Ampere bewegt.
– Wenn sich die Spannung V wieder verringert und unter eine als Referenzspannung bezeichnete Spannung V_R abfällt, nimmt die Stärke des Bypass-Stroms wieder einen Wert unterhalb der Leckstromstärke des Superkondensators 11 ein.

In der eine Hysterese-Form aufweisenden Kennlinie der logischen Funktion F₀, welche von der Detektoreinheit 14 als Funktion der Spannung V geliefert wird, werden folgende Zonen unterschieden:

– Solange die Spannung V unter einer ersten vordefinierten Spannung V_OH liegt, nimmt F₀ den aktivierten Zustand ein, das heißt F₀ hat einen Spannungswert von einigen Volt entsprechend dem logischen binären Wert „1". V_OH ist eine Spannung oberhalb der Schwellenspannung V_S.
– Sobald die Spannung V den Wert V_OH erreicht, nimmt F₀ einen praktisch 0 betragenden Wert an und gelangt demzufolge in einen deaktivierten Zustand entsprechend dem binären logischen Wert „0".
– Wenn V wieder abnimmt und unter eine zweite vordefinierte Spannung V_OB fällt, nimmt F₀ wieder den aktivierten Zustand entsprechend dem logischen binären Wert „1" an.

3 wurde oben in Verbindung mit 1 erläutert. Im Fall von mehreren Superkondensatoren 11₁ bis 116, wie dieser anhand der 2 erläutert wurde, gelangt die Optimierungsfunktion F₀ aus einem aktivierten Zustand in einen deaktivierten Zustand, sobald mindestens eine der Klemmenspannungen der Superkondensatoren die erste vordefinierte Spannung V_OH übersteigt, und geht anschließend wieder in den aktivierten Zustand zurück, wenn jede Spannungen V₁ bis V₆ an den Klemmen der Superkondensatoren unter die zweite vordefinierte Spannung V_OB gelangt.
4 zeigt ein Beispiel für den Verlauf der Spannung V_T an den Klemmen eines sechs Superkondensatoren enthaltenden Moduls, wie es in 2 dargestellt ist, der Stärke I_C des Ladestroms des Superkondensatormoduls, der Spannung V₆ an den Klemmen des Superkondensators 11₆ , der Bypass-Stromstärke I_BP entsprechend der Schaltung 10₆ und der Optimierungsfunktion F₀ in Abhängigkeit der Ladezeit unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die gestrichelte Kurve 25 zeigt die Spannung V_T an den Klemmen des Superkondensatormoduls in Abhängigkeit der Aufladezeit.
Die ausgezogene Kurve 23 zeigt die Stärke I_C des Ladestroms des Superkondensatorsmoduls in Abhängigkeit der Aufladezeit.
Die ausgezogene Kurve 24 zeigt die Spannung V6 an den Klemmen des Superkondensators 11₆ in Abhängigkeit der Aufladezeit.
Die ausgezogene Kurve 27 stellt die Bypass-Stromstärke I_BP entsprechend der Schaltung 10₆ in Abhängigkeit der Aufladezeit dar.
Die dick gepunktete Kurve 26 stellt die Optimierungsfunktion F₀ in Abhängigkeit der Aufladezeit dar.
Die vordefinierten Spannungen werden folgendermaßen gewählt:
V_S = 2,5 V
V_R = 2,48 V
V_OB = 2,5 V
V_OH = 2,53 V.
Die Aufladung erfolgt in mehreren Phasen:
Phase 1:
Der Ladestrom I_C ist bei etwa 200 A konstant. Der Superkondensator 11₆ lädt sich in der Weise auf, daß es eine fortschreitende Erhöhung der Spannung V₆ und der globalen Spannung V_T gibt. Die Funktion F₀ befindet sich im aktivierten Zustand. Die Bypass-Stromstärke liegt in der Nähe von Null, in jedem Fall deutlich unterhab der Leckstromstärke der Superkondensatoren.
Phase 2:
Wenn die Spannung V₆ den Wert V_S = 2,5 V erreicht, beginnt die Schaltung 12₆ mit dem Abzweigen des Stroms, und I_BP nimmt einen konstanten Wert an, der als Nenn-Bypass-Stromstärke bezeichnet wird und einen Wert von 1 A hat. Die Funktion F₀ befindet sich immer noch im aktivierten Zustand, was dem Lader 15 signalisiert, daß er den Ladestrom bei 200 A halten kann.
Phase 3:
Wenn die Spannung V₆ den Wert V_OH = 2,53 V erreicht, geht F₀ in den deaktivierten Zustand über, was dem Lader 15 signalisiert, daß er die Ladestromstärke vermindern muß: der Ladestrom geht mit einem linearen rampenförmigen Stromverlauf von 200 A auf etwa 55 A herunter. Gleichzeitig verringern sich V₆ und V_T, bis V₆ unter V_OB = 2,5 V gelangt. Folglich gelangt F₀ wieder in den aktivierten Zustand zurück.
Phase 4:
Die Superkondensatoren laden sich erneut mit einer Stromstärke von etwa 55 A auf. Diese Phase geht einher mit einer erneuten Erhöhung von V₆ und V_T. Wenn die Spannung V₆ wieder V_OH = 2,53 V erreicht, nimmt F₀ wieder den deaktivierten Zustand ein und signalisiert dem Lader 15, daß er die Ladestromstärke verringern muß, die auf einen Wert in der Nähe von Null abfällt.
Das Aufladeprotokoll, wie es oben erläutert wurde, ermöglicht eine Fortsetzung der Aufladung des Superkondensators mit einer Stromstärke, die oberhalb der Nenn-Bypass-Stromstärke von 1 A liegt, sobald der Abzweigvorgang begonnen hat, wobei die Ladestromstärke als Funktion der Klemmenspannung überwacht wird mit Hilfe der Logikfunk tion F₀, welche den Lader steuert, ohne daß die Gefahr besteht, daß eine vordefinierte Spannung überschritten wird und damit die Lebensdauer des Superkondensators verschlechtert würde.
Zum Steuern des Laders 15 können auch andere logische Funktionen verwendet werden, die hier nicht dargestellt sind.
Gemäß 1 kann die Neuinitialisierungsfunktion F₁ des Laders von einem aktivierten Zustand in einen deaktivierten Zustand wechseln, wenn die Spannung V an den Klemmen des Superkondensators 11 eine dritte vordefinierte Spannung übersteigt, die kleiner oder gleich der ersten vordefinierten Spannung V_OH ist, um anschließend wieder in den aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn die Spannung V an den Klemmen des Superkondensators 11 unter eine vierte vordefinierte Spannung gelangt, die niedriger ist als die zweite vordefinierte Spannung V_OB.
Im Fall von mehreren Superkondensatoren 11₁ bis 11₆ , wie dies anhand der 2 erläutert wurde, gelangt die Optimierungsfunktion F₁ aus einem aktivierten in einen deaktivierten Zustand, wenn mindestens eine der Spannungen V₁ bis V₆ an den Klemmen der Superkondensatoren 11₁ bis 11₆ die dritte vordefinierte Spannung überschreitet, und kehrt wieder in den aktivierten Zustand zurück, wenn jede der Spannungen V₁ bis V₆ an den Klemmen der Superkondensatoren 11₁ bis 11₆ unter die vierte vordefinierte Spannung abfällt.
Natürlich sind die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaft.
Insbesondere besitzt die oben beschriebene Kennlinie des Ladestroms einen Abschnitt in Form einer Stromrampe, es ist aber ersichtlich, daß der Verlauf auch anders gestaltet sein könnte, beispielsweise stufenförmig sein könnte, wozu mehrere konstante Stromwerte in Abhängigkeit der Zeit vorhanden wären.
Außerdem wurde für die Bypass-Schaltung ein MOS-Transistor gewählt, es versteht sich aber, daß jeder Transistortyp eingesetzt werden könnte, beispielsweise ein IGBT-Transistor, der als Schalttransistor arbeitet.
Außerdem sind sämtliche Bemessungsangaben beispielhaft, um die erfindungsgemäße Arbeitsweise zu veranschaulichen, wobei diese Werte keineswegs beschränkend zu verstehen sind.
Im übrigen findet die Erfindung in sämtlichen Ausführungsformen beim Aufladen eines einzelnen Superkondensators genauso Anwendung wie bei der Aufladung eines aus mehreren Superkondensatoren gebildeten Moduls.
Schließlich kann man sämtliche Mittel durch äquivalente Mittel ersetzen, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der durch die Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zum Aufladen von mindestens einem Superkondensator (11), umfassend einen Schritt (22) des Abzweigens des in dem Superkondensator fließenden Stroms derart, daß, wenn die Spannung (V) an den Anschlüssen des Superkondensators einen als Schwellenspannung (V_S) bezeichneten, vorbestimmten Wert erreicht, der Abzweigstrom (I_BP) einen als Nenn-Abzweigstrom bezeichneten Maximalwert annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren einen Schritt (21) der Steuerung des Ladestroms (I_C) des Superkondensators als Funktion der Spannung (V) an den Anschlüssen des Superkondensators mittels einer logischen Funktion (F₀) zur Spannungsdetektierung, bezeichnet als Optimierungsfunktion, enthält, geeignet für den Wechsel aus einem sogenannten aktivierten Zustand in einen sogenannten deaktivierten Zustand, wenn die Spannung (V) an den Anschlüssen des Superkondensators eine erste vordefinierte Spannung (V_OH) übersteigt, die größer ist als die Schwellenspannung (V_S), um anschließend in den aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators unter eine zweite vordefinierte Spannung (V_OB) fällt, die kleiner oder gleich der ersten vordefinierten Spannung (V_OH) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das mit Hilfe der Optimierungsfunktion (F₀) gelieferte Signal ein Signal mit Hysterese-Form ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen Schritt des Aufladens des Superkondensators mit einem Ladestrom (I_C), der größer ist als der Nenn- Abzweigstrom, und des Haltens dieses Aufladeschritts für eine Zeitspanne, in der die logische Optimierungsfunktion (F₀) sich im aktivierten Zustand befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schritt, bei dem, wenn die Spannung (V) an den Anschlüssen des Superkondensators einen als Referenzspannung (V_R) bezeichneten Spannungswert erreicht, welcher unter dem Wert der Schwellenwert (I_VS) liegt, der Abzweigstrom (I_BP) einen Wert annimmt, der deutlich unterhalb einer Stromstärke liegt, welche dem Leckstrom des Superkondensators entspricht.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Kennlinie des Abzweigstroms in Abhängigkeit der Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators ein hystereseförmiges Signal ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schritt des Filterns hochfrequenter Oberwellen der Spannung (V) an den Anschlüssen des Superkondensators.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schritt der erneuten Initialisierung des Laders (15) in Abhängigkeit der Spannung (V) an den Anschlüssen des Superkondensators mit Hilfe einer logischen Spannungsdetektorfunktion, bezeichnet als Neuinitialisierungsfunktion (F₁), welche in der Lage ist, von einem aktivierten Zustand in einen deaktivierten Zustand überzugehen, wenn die Spannung (V) an den Anschlüssen des Superkondensators eine dritte vordefinierte Spannung übersteigt, die niedriger oder gleich der ersten vordefinierten Spannung (V_OH) ist, um anschließend in den aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn die Spannung (V) an den Anschlüssen des Superkondensators unter eine vierte vordefinierte Spannung fällt, die niedriger ist als die zweite vordefinierte Spannung (V_OB).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schritt des Detektierens einer kleinsten Sicherheitsspannung an den Anschlüssen des Superkondensators mit Hilfe einer logischen Spannungsdetektorfunktion, bezeichnet als Minimalspannungs-Detektorfunktion und dazu geeignet, von einem aktivierten Zustand überzugehen in einen deaktivierten Zustand, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators eine fünfte vordefinierte Spannung übersteigt, um anschließend in den aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators unter eine sechste vordefinierte Spannung gelangt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schritt des Ladens einer Mehrzahl von Superkondensatoren (11_i ), wobei die Optimierungsfunktion (F₀) aus einem aktivierten Zustand in einen deaktivierten Zustand gelangt, wenn mindestens eine der Spannungen (V_i) an den Anschlüssen der Superkondensatoren die erste vordefinierte Spannung (V_OH) übersteigt, um in einen aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn jede der Spannungen (V_i) an den Anschlüssen der Superkondensatoren unter die zweite vordefinierte Spannung (V_OB) abfällt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Neuinitialisierungsfunktion (F₁) aus dem aktivierten Zustand in einen deaktivierten Zustand gelangt, wenn mindestens eine der Spannungen an den Anschlüssen der Superkondensatoren die dritte vordefinierte Spannung übersteigt, um in den aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn jede der Spannungen (V_i) an den Anschlüssen der Superkondensatoren unter den vierten vordefinierten Spannungswert fällt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Minimalspannungs-Detektorfunktion von einem aktivierten Zustand in einen deaktivierten Zustand übergeht, wenn jede der Spannungen (V_i) an den Anschlüssen der Superkondensatoren die fünfte vordefinierte Spannung übersteigt, um in den aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn mindestens eine der Spannungen (V_i) an den Anschlüssen der Superkondensatoren unter die sechste vordefinierte Spannung abfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, umfassend einen Schritt des Detektierens der Streuung der Spannung an den Anschlüssen der Superkondensatoren mittels einer logischen Spannungsdetektorfunktion, bezeichnet als Streuungsdetektorfunktion, wobei die Streuungsdetektorfunktion aus einem aktivierten Zustand in einen deaktivierten Zustand übergeht, wenn jede der Spannungen (V_i) an den Anschlüssen der Superkondensatoren eine siebte vordefinierte Spannung übersteigt, um in den aktivierten Zustand zurückzukehren, wenn mindestens eine der Spannungen an den Anschlüssen der Superkondensatoren unter eine achte vordefinierte Spannung abfällt.
System (10, 20) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: mindestens einen Superkondensator (11, 11_i ), eine Abzweigschaltung (12, 12_i ) mit einem als schaltendes Element arbeitenden Transistor, der zu den Anschlüssen des Superkondensators parallelgeschaltet ist, eine Ladeeinrichtung (15), eine Detektoreinheit (14), die mindestens ein logisches Signal liefert, welches repräsentativ ist für die Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators, wobei das logische Signal an die Ladeeinrichtung geliefert wird.
System (10, 20) nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend ein Tiefpaßfilter (13, 13_i ), welches zu den Anschlüssen des Superkondensators parallelgeschaltet ist.
System (10, 20) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, umfassend mehrere Superkondensatoren (11_i ), welche in Serie geschaltet sind, wobei die Abzweigschaltung (12_i ) parallel zu den Anschlüssen von jedem der Superkondensatoren geschaltet ist.
System nach einem der Ansprüche 13 oder 14, umfassend eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Superkondensatoren und eine einzige Abzweigschaltung, die parallel zu den Anschlüssen der Gruppe von Superkondensatoren geschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, umfassend eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Superkondensatoren, und eine einzige Abzweigschaltung, die parallel zu den Anschlüssen der Gruppe von Superkondensatoren geschaltet ist.