EP1258069A1 - Schaltungsanordnung mit einer kette von kapazitäten - Google Patents

Abstract

Eine Schaltungsanordnung weist eine Kette (1) aus Doppelschichtkondensatoren (2) auf. Parallel zu den Doppelschichtkondensatoren (2) sind Module (3) geschaltet, deren Impedanz sich verringert, wenn die Spannung über einem der Doppelschichtkondensatoren (2) einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dadurch werden Überspannungen an den Doppelschichtkondensatoren (2) wirksam unterdrückt.

Description

Beschreibung

Schaltungsanordnung mit einer Kette von Kapazitäten

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteter Kapazitäten.

Doppelschichtkondensatoren - oft auch Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren oder Ultracaps genannt - ermöglichen eine neue Art der elektrochemischen Energiespeicherung. Sie liegen hinsichtlich der Energiedichte und der Zugriffszeit auf den Energieinhalt zwischen großen Aluminium-Elektrolyt - Kondensatoren und kleineren Akkumulatoren. In Akkumulatoren erfolgt die Energiespeicherung mit Hilfe von reversiblen che- mischen Reaktionen. Kondensatoren dagegen nutzen die Polarisation eines Dielektrikums im elektrischen Feld zur Energiespeicherung aus. Doppelschichtkondensatoren besitzen dagegen kein Dielektrikum. Sie speichern die elektrische Energie durch Ladungsverschiebungen an der Grenzfläche zwischen einer Elektrode und einem Elektrolyt.

Der zugrunde liegende Effekt wird auch als Helmholtz-Effekt bezeichnet. Dieser Effekt tritt auf, wenn eine Spannung zwischen zwei in einen Elektrolyt getauchte Kohlenstoffelektro- den angelegt wird. Dabei fließt erst dann ein kontinuierlicher Strom, wenn die an die Kohlenstoffelektroden angelegte Spannung eine bestimmte Zersetzungsspannung übersteigt. Gleichzeitig setzt eine Gasentwicklung als Folge einer chemischen Reaktion an der Oberfläche der Kohlenstoffelektroden ein. Wenn die an die Kohlenstoffelektroden angelegten Spannung jedoch unter dieser Zersetzungsspannung bleiben, verhalten sich die Kohlenstoffelektroden wie die Elektroden eines Kondensators. Ionen aus dem Elektrolyt lagern sich beim Anlegen der Spannung an der Grenzfläche zur Kohlenstoffelektrode an und entsprechend laden sich die Kohlenstoffelektroden positiv oder negativ auf. Die zu speichernde Energie hängt hierbei von der zur Verfügung stehenden Oberfläche der Koh- lenstoffelektrode, der Größe der Ionen und der Höhe der Zersetzungsspannung ab.

Durch den Einsatz von Kohlenstoffelektroden aus aktivem Koh- lenstoff und Elektrolyt mit einer Zersetzungsspannung von 3 Volt gelang es, Kondensatoren mit extrem hoher Energiedichte (2Wh/kg) zu entwickeln. Die Leistungsabgabe dieser Kondensatoren ist zwar höher als die Leistungsabgabe von Akkumulatoren, jedoch deutlich niedriger als die Leistungsabgabe von herkömmlichen Kondensatoren. Durch verschiedene Maßnahme konnte jedoch in der Folge die Vorwiderstände in den Kohlenstoffelektroden deutlich gesenkt werden und daher eine hohe Leistungsdichte von über 1000 W/kg erreicht werden.

Die zulässige Betriebsspannung von Doppelschichtkondensatoren bleibt jedoch auf wenige Volt begrenzt. Da bei den meisten Anwendungen die Betriebsspannung wesentlich höher sind, müssen im allgemeinen mehrere Doppelschichtkondensatoren zu einem Modul in Reihe geschaltet werden. Aufgrund der unter- schiedlichen Werte der einzelnen Kapazitäten sowie wegen des unterschiedlichen Selbstentladeverhalten teilt sich die angelegte gesamte Spannung nicht gleichmäßig auf die einzelnen Doppelschichtkondensatoren auf. Dadurch können an einzelnen Doppelschichtkondensatoren Überspannungen auftreten, die zur Zerstörung des Doppelschichtkondensators führen.

Der Erfindung liegt daher der Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Kapazitäten zu schaffen, in der das Auftreten von Überspan- nungen auf wirksame Weise unterdrückt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Spannungen an den Kapazitäten durch parallel zu den Kapazitäten geschaltete Impedanzen eingestellt sind, wobei die Größen der Impedanzen mit Hilfe von Steuermitteln in Abhängigkeit von den Spannungen an den Kapazitäten gesteuert sind. Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung weist parallel zu den Kapazitäten geschaltete Impedanzen auf. Da die Größe dieser Impedanzen veränderbar ist, können an den Kapazitäten anliegende Überspannungen auf wirksame Weise durch Absenken des Impedanzwertes unterdrückt werden. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß sich die Impedanzen an den jeweiligen Betriebszustand der Schaltungsanordnung anpassen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um eine Kette von Doppelschichtkondensatoren, den jeweils ein Steuermittel zugeordnet ist. Aus dem Doppelschicht - kondensator und dem zugeordneten Steuermittel können Module gebildet werden, die in beliebiger Zahl aneinandergereiht werden können. Dabei wird die am Doppelschichtkondensator an- liegende Spannung auf wirksame Weise auf zulässige Werte begrenzt, so daß am einzelnen Doppelschichtkondensator keine schädlichen Überspannungen auftreten.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Steuermittel eine Zwei -Punkt -Regelung, die die Impedanzen zwischen zwei vorgegebenen Werten hin und her schaltet. Zweckmäßigerweise wird die Zwei-Punkt -Regelung mit Hilfe eines Schwellwertschalters bewerkstelligt, der bei Spannungen am Doppelschichtkondensator oberhalb einer vorgegebenen Schwellenspannung den Wert der Impedanz senkt. Eine derartige Schaltungsanordnung läßt sich mit einfachen Mitteln aufbauen und ist dennoch geeignet, an den Doppelschichtkondensatoren auftretende Überspannungen zu dämpfen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert . Es zeigt :

Figur 1 einen Schaltungsplan einer Schaltungsanordnung ge- maß der Erfindung. Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung weist eine Kette 1 aus Doppelschichtkondensatoren 2 auf, die in Figur 1 auch mit C-pi bis C^* _ßn bezeichnet sind. Parallel zu den Doppelschichtkondensatoren 2 sind Module 3 geschaltet, von denen das mittlere in Figur 1 im einzelnen dargestellt ist.

Das Modul 3 ist über eine Masseleitung 4 und eine Spannungs- leitung 5 an die Kette 1 angeschlossen. Die Bezeichnung Masseleitung soll in diesem Zusammenhang nicht bedeuten, daß die Masseleitung 4 auf definiertem Potential liegt. Das Potential der Masseleitung 4 kann vielmehr je nach der am Doppel - Schichtkondensator C-_Q2 angelegten Spannung frei schwimmen. Durch die Bezeichnung Masseleitung soll lediglich zum Ausdruck gebracht werden, daß die Masseleitung 4 die Funktion einer Masse innerhalb des Moduls 3 hat. Entsprechendes gilt für die Spannungsleitung 5.

Der zentrale Teil des Moduls 3 ist der Schwellwertschalter 6. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Schwellwertschalter mit der Bezeichnung

MAX965 der Firma Maxim. Der Schwellwertschalter 6 ist über ein von einem Widerstand R5 und einem Kondensator Cl gebildeten Tiefpaßfilter an die Spannungsleitung 5 angeschlossen. Das von dem Widerstand R5 und dem Kondensator Cl gebildete Tiefpaßfilter dient der Stabilisierung der Spannungsversorgung des Schwellwertschalters 6. Dem Tiefpaßfilter nachgeschaltet ist ein Spannungsteiler aus den Widerständen R4 und R3 , über den die am Doppelschichtkondensator C-Q2 abfallende Spannung auf einen nichtinvertierenden Eingang 7 des Schwell - wertschalters 6 angelegt wird. Ein invertierender Eingang 8 des Schwellwertschalters 6 ist mit einer Spannung aus einem Referenzausgang 9 des Schwellwertschalters 6 beaufschlagt. Der Referenzausgang 9 versorgt auch einen Spannungsteiler aus den Widerständen Rl und R2 , an dem eine Spannung für einen Hystereseeingang 10 abgegriffen ist. Durch die am Hystereseeingang 10 anliegende Spannung kann die Hysterese des Schwell - wertschalters 6 eingestellt werden. Schließlich verfügt der Schwellwertschalter 6 über einen Masseeingang 11, der an die Masseleitung 4 angeschlossen ist .

Wenn die Spannung am nichtinvertierenden Eingang 7 die Span- nung am invertierenden Eingang 8 übersteigt, wird ein Ausgang 12 des Schwellwertschalters 6 niederohmig und wirkt als Stromsenke. Umgekehrt wird der Ausgang 12 des Schwellwert - Schalters 6 hochohmig, wenn die Spannung am nichtinvertierenden Eingang 7 die Spannung am invertierenden Eingang 8 unter- schreitet.

Um das Schaltverhalten des Schwellwertschalters 6 zum Erzeugen eines Spannungssignals zu nutzen, ist ein Pull-Up- Widerstand R6 vorgesehen. Dadurch liegt am Eingang 12 einer nachgeschalteten Darlingtonschaltung 1 aus NPN-Transistoren eine im wesentlichen der Spannung auf der Spannungsleitung 5 entsprechende Spannung an, wenn der Schwellwertschalter 6 hochohmig ist. Umgekehrt liegt am Eingang 12 der Darlingtonschaltung Tl eine der Spannung auf der Masseleitung 4 ent- sprechende Spannung an, wenn der Ausgang 11 des Schwellwert - Schalters 6 niederohmig ist.

Der Ausgang 11 des Schwellwertschalters 6 kann jedoch auch dann hochohmig werden, wenn er an sich aufgrund der am nicht - invertierenden Eingang 7 und invertierenen Eingang 8 anliegenden Spannungen niederohmig geschaltet sein sollte. Dies ist dann der Fall, wenn die Betriebsspannung des Schwellwert - Schalters 6, also die Spannung zwischen Masseleitung 4 und Spannungsleitung 5 einen zulässigen unteren Grenzwert unter- schreitet. Für diesen Fall ist der Widerstand R7 zwischen dem Eingang 12 der Darlingtonschaltung Dl und der Masseleitung 4 vorgesehen. In diesem Fall wird der Eingang 12 der Darlingtonschaltung Tl auf das Potential der Masseleitung 4 gezogen und ein Durchschalten der Darlingtonschaltung Tl verhindert.

Ein Kollektoranschluß 13 der Darlingtonschaltung Tl ist über einen Spannungsteiler aus einem Widerstand R8 und einem Wi- derstand R9 an die Basis eines PNP-Transistors T2 angeschlossen. Demnach öffnet der Transistor T2 , wenn die Darlingtonschaltung Tl durchschaltet. Durch das Öffnen des Transistors T2 wird schließlich ein niederohmiger Abieitwiderstand RIO freigeschaltet , durch den die am Doppelschichtkondensator C-_Q2 anliegende Spannung abgebaut wird.

Falls die Spannung am Doppelschichtkondensator C_j2 den voreingestellten Wert überschreitet nimmt das Modul 3 einen Im- pedanzwert an, der im wesentlichen gleich dem ohmischen Widerstand des Abieitwiderstands RIO entspricht.

Wenn dagegen die Spannung am Doppelschichtkondensator C-_Q2 unterhalb des voreingestellten Wertes liegt, weist das Modul 3 eine Impedanz mit einem ohmischen Widerstand auf, der vorallem durch die Widerstände R3 bis R7 bestimmt wird.

Um das Auftreten einer Überspannung am Doppelschichtkondensator C-Q2 anzuzeigen, kann parallel zum Abieitwiderstand RIO eine Leuchtdiode 15 vorhanden sein. Zur Begrenzung des Stroms durch die Leuchtdiode 15 ist schließlich ein Vorwiderstand Rll vorgesehen.

Durch die Module 3 wird an die an den Doppelschichtkondensa- toren 2 auftretende Spannung auf wirksame Weise begrenzt. Es ist daher nicht zu befürchten, daß an den Doppelschichtkondensatoren 2 Überspannungen auftreten können, die oberhalb des zulässigen Grenzwerts liegen. Dadurch ist es möglich, Ketten aufzubauen, die insgesamt eine Nennspannung von mehre- ren 100 V aufweisen. Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Kapazitäten (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Spannungen an den Kapazitäten (2) durch parallel zu den Kapazitäten (2) geschaltete Impedanzen (R3-R7, RIO) eingestellt sind, wobei die Größen der Impedanzen (R3-R7, RIO) mit Hilfe von Steuermitteln (6, Tl, T2) in Abhängigkeit von den Spannungen an den Kapazitäten (2) gesteuert sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kapazitäten Doppelschichtkondensatoren (2) sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuermitteln von jeweils einer Kapazität (2) zugeordneten Steuervorrichtungen (6, Tl, T2) gebildet sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuervorrichtung (6, Tl, T2) eine Zwei-Punkt -Regelung aufweist .

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuervorrichtung einen Schwellwertschalter (6) umfaßt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der SchwellwertSchalter (6) die am der zugeordneten Kapazität (2) abfallende Spannung als Betriebsspannung verwendet.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schwellwertschalter (6) die als Schaltschwelle verwendete Schwellwertspannung selbst erzeugt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schwellwertschalter (6) Schalttransistoren (Tl, T2 ) steuert, die die Impedanz (R3-R7, RIO) in Abhängigkeit von der Spannung am zugeordneten Kondensator einstellen.