EP4022736A1 - Schnell-ladeeinheit - Google Patents

Schnell-ladeeinheit

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Publication number
EP4022736A1
EP4022736A1 EP20761177.3A EP20761177A EP4022736A1 EP 4022736 A1 EP4022736 A1 EP 4022736A1 EP 20761177 A EP20761177 A EP 20761177A EP 4022736 A1 EP4022736 A1 EP 4022736A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capacitors
mobile
charging
stationary
capacitor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20761177.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Charles RIPPERT
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP4022736A1 publication Critical patent/EP4022736A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/342—The other DC source being a battery actively interacting with the first one, i.e. battery to battery charging
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/50—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/52—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially for charge balancing, e.g. equalisation of charge between batteries
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    • H02J7/52—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially for charge balancing, e.g. equalisation of charge between batteries
    • H02J7/56—Active balancing, e.g. using capacitor-based, inductor-based or DC-DC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/50—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/575—Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Details of circuit arrangements for charging or discharging batteries or supplying loads from batteries
    • H02J2207/50—Charging of capacitors, supercapacitors, ultra-capacitors or double layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a quick charging unit for charging mobile capacitors according to the preamble of the claim
  • Mobile capacitors are those that are not permanently connected to a power grid or the like and therefore have to be charged regularly at charging stations. Typically, these are capacitors that are used in electrically operated vehicles, tools or other applications Capacitors are also referred to as “capacitors to be charged”.
  • “Stationary or charging capacitors” refer to charged capacitors made available in a charging station, to which the mobile capacitors are temporarily connected for charging.
  • the term “relay” also includes improper relays, such as semiconductor relays or other current- or voltage-controlled switches, such as solenoids or IGBTs.
  • capacitors also includes all energy stores in which electrical energy is stored physically rather than chemically, that is to say, to put it simply, in an electrostatic field between two plates.
  • the capacitors therefore also include so-called supercapacitors, ultracapacitors, lithium-ion Supercapacitors, hybrid capacitors and the like, as well as possibly future energy-storing components based on the principle of a capacitor.
  • Resistors or inductors are currently used to limit the current in the above configuration, which is known to lead to losses. This is a disadvantage of the known methods of charging capacitors. Compared to capacitors connected in parallel, capacitors connected in series enable higher voltages and thus larger amounts of electrical energy to be transmitted. Capacitors to be charged should therefore be charged in series.
  • assemblies of capacitors must have so-called active or passive "balancing", which is necessary so that all cells or capacitors of a compound firstly have the same voltage and secondly no cells above their maximum permissible, specified nominal voltage Balancing is necessary because typically individual, series-connected capacitors (can) have different internal resistances and thus different voltages during a loading process, which could individually lead to damage if the specified maximum voltage is exceeded.
  • active or passive balancing
  • the physical properties of the respective affected components limit the speed or the amount of energy per time that can be transferred.
  • the invention is based on the object of eliminating the disadvantages mentioned.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a charging unit
  • FIG. 2 shows diagrams of the charging current
  • the charging capacitor network has a significantly larger total capacitance, a higher maximum voltage, and thus a certain oversizing
  • the network of stationary capacitors has a significantly larger total capacity than the network of mobile capacitors.
  • the network of stationary capacitors can be operated with a smaller, equal or greater number of capacitors compared to the number of capacitors in the mobile network. Ideally, however, it has a larger number, namely 50% to 100% more than the network of mobile capacitors. If this is not the case, it makes sense to switch the mobile capacitors all the more to parallel for charging.
  • the stationary capacitors in the present device do not have significantly more capacitance than the mobile capacitors, it can arise, especially if the equalization of the voltages of the stationary capacitors by omitting an intermediate step of parallel switching to equalize that certain stationary capacitors, those which are taken first for the energy transfer, are discharged so much and in further steps first completely discharged and then change the polarity, i.e. are negatively charged, which has three effects: The latter no longer contribute to the charging process because they can no longer give off any energy, they are negatively charged, so they belong to the capacitors to be charged, which makes the charging process more inefficient, and they can be damaged by the polarity change.
  • a stationary capacitor itself can consist of several capacitors connected in parallel. Between individual charging phases or charging pulses during the process of charging mobile capacitors with stationary capacitors, both should be switched in parallel for a moment so that they can "network internally” equalize. If this does not happen on the side of the stationary capacitors, are the equalizing currents after the charging process possibly like this big that they exceed the specifications.
  • the circuit diagram shown in the figure shows a charging unit in the state in which mobile capacitors are not being charged.
  • the charging unit comprises seven capacitors CI to C7 and relays RI to R7 assigned to them.
  • the relays are of the type Double Pole Double Throw “DPDT" 1 ("two contacts, two states"), for example OMRON G5V-2 or Finders 40.52.
  • DPDT Double Pole Double Throw
  • All relays R1-R7 are in the switching position in which the positive poles of the capacitors are connected to one another via a line LI and their negative poles are connected to one another via a line L2.
  • the capacitors are connected in parallel via the lines LI and L2, as well as via the relays R1-R7.
  • the control connections of the relays are each connected to a power supply B via switches S1 to S7 and a line L3.
  • the control connections of the relays are also connected to one another via diodes D1 to D6.
  • the capacitors to be charged are not shown in the figure. They are connected to the connection socket Jl.
  • the connection socket Jl is also used to connect the charging unit to a power source for charging the capacitors C1-C7.
  • the capacitors C1-C7 are interconnected in such a way that they can be arranged in the manner of a stack by actuating the switches S1 to S7, Cl being the lowest capacitor of the stack and being connected first to the connection socket J1 for charging mobile capacitors .
  • a further relay R8 is arranged between the relay RI and the connecting socket Jl, which is used to connect the charging unit to the connecting socket Jl or to disconnect between them.
  • the diodes D1 to D6 have the following function: If one of the switches S1 to S7 is actuated, it must be ensured that, together with the corresponding relay, all the "underlying" relays are actuated simultaneously. If, for example, S3 is actuated, the diodes D2 and Dl ensure that not only relay R3 but also relays R2 and Rl are activated. This is essential, as otherwise the various capacitors would be guaranteed to be damaged. In this illustrative example, if only R3 were activated, the situation would be:
  • Capacitors measures the voltage and forwards this to the control electronics, which interrupts the charging process, i.e. ends as soon as the maximum permissible value is reached, or optionally continues in a parallel configuration of the stationary AND mobile capacitors (see excursus),
  • switch S8 is released, then switch S1 is released and the mobile capacitors are switched from serial to parallel.
  • switch S2 is pressed and the mobile capacitors are switched to serial.
  • switch S8 is pressed; now the two capacitors 1 and 2 connected in series charge the mobile capacitors.
  • switch S8 is released, then switch S2 is released and the mobile capacitors are switched from serial to parallel.
  • switch S8 is released, then switch S3 is released and the mobile capacitors are switched from serial to parallel.
  • switch S4 is pressed and the mobile capacitors are switched to serial.
  • switch S8 is pressed; now the serially connected capacitors 1, 2, 3 and 4 charge the mobile capacitors.
  • switch S8 is released, then switch S4 is released and the mobile capacitors are switched from serial to parallel.
  • switch S5 is pressed and the mobile capacitors are switched to serial.
  • switch S8 is released, then switch S5 is released and the mobile capacitors are switched from serial to parallel.
  • switch S6 is pressed and the mobile capacitors are switched to serial.
  • switch S8 If the voltage on the mobile capacitors reaches the maximum permissible voltage, or if the current falls below a certain value, switch S8 is released, then switch S6 is released and the mobile capacitors are switched from serial to parallel.
  • the switch S8 is released, then the switch S7 is released and the mobile capacitors are switched from serial to parallel.
  • the mobile capacitors are switched to serial.
  • a single sub-step should therefore cover the area shown in the diagram in FIG.
  • the device always works in the optimal range; maximum currents are never exceeded and the charging time is minimized.
  • the diodes Dl to D6 are used to simultaneously activate all the relays required, which switch the capacitor in question plus the "underlying" ones.
  • the network of mobile capacitors consists of five capacitors. However, it can also consist of a group of several sub-groups of multiples of capacitors, which can be connected partly in parallel and partly in series for charging.
  • stationary capacitors there are many solutions for charging the stationary capacitors, such as switching power supplies or DC / DC converters (dc / dc step up or step down converters, aka buck converters).
  • a network of stationary capacitors consists of so many capacitors that, if they are connected in series, they have a maximum total nominal voltage of, for example, 240 volts
  • a rectifier can also be used between the mains supply and stationary capacitors, with access to the mains current at least as high It must be able to deliver a lot of electricity, as the stationary capacitors can maximally absorb, which is given by the total internal resistance of all affected components including the stationary capacitors.
  • the voltage applied to the stationary capacitors increases constantly, while the flowing current decreases constantly.
  • "logical three-pole relays" are useful for better monitoring and optimal management, but they do not have to be used.
  • a model prototype was implemented to test the function of the invention. It consists of a stationary unit with stationary capacitors and a remote-controlled model car from the Carrera F150 brand.
  • the stationary unit contains seven supercapacitors from the SPSCAP brand with 3kF each, the model car contains five supercapacitors from the SPSCAP brand with 150F each.
  • the mobile capacitors are firmly soldered and connected in series.
  • the stationary capacitors are connected analogously to the circuit diagram shown in the figure; For the sake of simplicity, only seven capacitors are shown in the circuit diagram.
  • the manufacturer Carrera also supplies a rechargeable nickel-metal-hydride battery and recommends charging the battery for 90 minutes in order to be able to drive for 20 minutes.
  • the electronics of the model car were not changed in any way, except that those of the mobile capacitors were soldered onto the two feeding contacts, which originally came from the Ni-MH battery, and a switch was attached between them. This means that the model car can also be used in the original configuration. Test series confirm the manufacturer's information regarding charging time (90 minutes) and driving time (20 minutes).
  • a step-up DC / DC converter is used between the mobile capacitors and the electronics of the model car, which increases the voltage to 20 volts. Then a step-down DC / DC converter was used, which delivers 6 volts.
  • a switch was installed between the DC / DC converters and the electronics of the model car.
  • the test series showed that the model car powered by the capacitors drives 5 minutes with a charging time of 20 seconds. This efficiency was achieved without any particular optimization of the capacitive supply being undertaken. This means that the ratio of charging time to service life for capacitor operation is a comparison factor more than 65 better than for battery operation. With appropriate optimization, the comparison factor with supercapacitors currently available on the market could easily be doubled.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)

Abstract

Die Ladeeinheit umfaßt eine Anzahl stationärer Kondensatoren zum Laden mobiler Kondensatoren, die über eine Verbindungsbuchse anschließbar sind. Die Ladeeinheit umfaßt Schalteinrichtungen zum Verbinden eines ersten Kondensators mit den mobilen Kondensatoren und zum schrittweisen Zuschalten jeweils eines weiteren Kondensators. Die Anzahl und jeweilige Kapazität der stationären Kondensatoren ist im Vergleich zu den mobilen grösser. Zwischen den einzelnen Schritten werden die stationären Kondensatoren von den mobilen Kondensatoren getrennt und die jeweiligen Kondensatoren parallel geschaltet, damit ihre Spannungszustände sich ausgleichen können.

Description

Schnell-Ladeeinheit
Die Erfindung betrifft eine Schnell-Ladeeinheit zum Beladen von mobilen Kondensatoren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs
1 .
In den noch nicht veröffentlichten schweizerischen Patentanmeldungen 702/18 und 1142/18 sind Verfahren und Einrichtungen zum Laden mobiler Kondensatoren an einer Ladestation beschrieben, bei denen die mobilen Kondensatoren an einer Ladestation mehrfach zeitlich nacheinander mit stationären geladenen Kondensatoren verbunden werden, deren Ladung jeweils höher ist als diejenige der mobilen Kondensatoren. In der vorliegenden Anmeldung wird ausdrücklich auf diese beiden Anmeldungen Bezug genommen, um Sachverhalte, die dort detailliert beschrieben sind und die mit der vorliegenden Erfindung nicht unmittelbar zu tun haben, nicht zu wiederholen.
In der vorliegenden Beschreibung werden folgende Begriffe verwendet:
„Mobile Kondensatoren" sind solche, die nicht dauerhaft an einem Stromnetz oder dergl. angeschlossen sind und deshalb regelmässig an Ladestationen geladen werden müssen. Typischerweise handelt es sich dabei um Kondensatoren, die in elektrisch betriebenen Fahrzeugen, Werkzeugen oder anderen Anwendungen eingesetzt sind. Die mobilen Kondensatoren werden auch als „zu beladende Kondensatoren" bezeichnet.
Als „stationäre oder ladende Kondensatoren" werden geladene, in einer Ladestation bereitgestellte Kondensatoren bezeichnet, mit denen die mobilen Kondensatoren zum Aufladen temporär verbunden werden. Der Begriff „Relais" umfasst auch uneigentliche Relais, wie z. B. Halbleiterrelais oder andere ström- oder spannungsgesteuerte Schalter, wie Solenoiden oder IGBTs.
Der Begriff „Kondensatoren" umfasst auch alle Energiespeicher in denen elektrische Energie nicht chemisch, sondern physikalisch, d.h. vereinfacht gesagt, in einem elektrostatischen Feld zwischen zwei Platten, gespeichert ist. Zu den Kondensatoren zählen daher auch sog. Supercapacitors, Ultracapacitors, Litium-Ionen- Supercapacitors, Hybridkondensatoren und dergl., sowie ggf. zukünftige auf dem Prinzip eines Kondensators beruhende, Energie speichernde Bauelemente.
Es ist bekannt, dass sich beim Verbinden eines leeren Kondensators A mit einem identischen voll geladenen Kondensator B die Ladungen innert Sekunden ausgleichen und zwei halbvoll geladene Kondensatoren ergeben. Wird ein leerer Kondensator A mit zwei voll geladenen seriell geschalteten Kondensatoren Bl und B2 verbunden, so erhält man innert Sekunden einen vollgeladenen Kondensator A und zwei halbvoll geladene Kondensatoren Bl und B2.
Die Summe aller Innenwiderstände aller Bauteile, sowie die Dimensionierung und unterschiedlichen Ladezustände der beteiligten Kondensatoren bestimmen den zu erwartenden, maximal möglichen Strom, wenn stärker als A geladene Kondensatoren B erstere beladen.
Derzeit werden zum Begrenzen des Stroms in obiger Konfiguration Widerstände oder Induktoren verwendet, was bekanntlich zu Verlusten führt. Dies ist ein Nachteil der bekannten Methoden zum Laden von Kondensatoren. Im Vergleich zu parallel geschalteten Kondensatoren ermöglichen seriell geschaltete Kondensatoren höhere Spannungen und somit grössere Mengen an elektrischer Energie zu übertragen. Zu ladende Kondensatoren sollten also seriell geschaltet beladen werden.
Gemäss dem Stand der Technik müssen Verbünde aus Kondensatoren sog. aktives oder passives „Balancing" aufweisen, welches notwendig ist, damit alle Zellen, bzw. Kondensatoren, eines Verbundes erstens die gleiche Spannung aufweisen, und zweitens keine Zelle über ihre maximal zulässige, spezifizierte Nennspannung geladen wird. Balancing ist erforderlich, da typischer Weise einzelne, in Serie geschaltete Kondensatoren unterschiedliche Innenwiderstände und somit bei einem Beladevorgang am Ende unterschiedliche Spannungen aufweisen (können), welche individuell durch Überschreiten der spezifizierten Maximalspannung zu Schaden führen könnten. Dies ist ein weiterer Nachteil der bekannten Methoden zum Beladen von Kondensatoren. Deshalb sollen auch die zu beladenden Kondensatoren zwischen den Energie übertragungs-Phasen parallel geschaltet werden, womit sie gleiche Spannungen aufweisen.
Bei der Energieübertragung begrenzen die physischen Eigenschaften der jeweiligen, betroffenen Komponenten die Geschwindigkeit mit, bzw. die Menge an Energie pro Zeit, welche übertragen werden kann.
Ist die Drosselung der Geschwindigkeit nicht mit Verlusten machbar, muss Energie in kleineren Einheiten übertragen werden. Laden Kondensatoren andere Kondensatoren, so ist eine Drosselung bis anhin mit Verlusten verbunden. Laden Kondensatoren andere Kondensatoren direkt, so ist die Übertragungsrate durch den jeweils grösseren Innenwiderstand der beteiligten Kondensatoren begrenzt.
Bei ültracapacitors wird eine beachtliche Menge an Strom innert kürzester Zeit übertragen. Werden zur Steuerung der Energieübertragung elektronische Bauteile, wie Kabel und Schaltelemente dazwischen geschaltet, erhöhen sie einerseits den Gesamtwiderstand des Schaltkreises, zusammengesetzt aus dem Innenwiderstand der Kondensatoren plus demjenigen der Schaltelemente, andererseits sind die meisten elektronischen Bauteile nicht für die auftretenden, hohen Ströme konzipiert, weshalb sie Schaden nehmen und über Zeit schnell ausfallen können. Dies ist ein weiterer Nachteils der bekannten Methoden zum Laden von Kondensatoren.
Bekannte ültracapacitors weisen typischer Weise eine maximale Spannung von 2,7 Volt auf. Es ist zu erwarten, dass zukünftige Entwicklungen höhere Werte ermöglichen werden. Für die meisten Anwendungen sind aber in der Regel höhere Spannungen notwendig, weshalb mehrere bis viele in Serie geschaltete ültracapacitors eingesetzt werden.
Will man einen solchen Verbund mit Kondensatoren gleicher
Kapazität vollständig laden, so benötigt man, wie eingangs schon erwähnt, auf der stromliefernden Seite doppelt so viele Kondensatoren, wie zu beladen sind. Es ist nicht nur alternativ möglich, sondern empfiehlt sich im Sinne der Erfindung, einen ladenden Kondensatoren- Verbund mit wesentlich höherer Gesamtkapazität auszustatten, denn ein voll beladener Kondensator mit wesentlich grösserer Kapazität kann einen leeren Kondensator mit gleicher Maximalspannung annähernd voll beladen, abzüglich der an ihn abgegeben Energiemenge, welche sich in einer verminderten Spannung des grösseren Kondensators äussert. Falls man zeitnahe laden möchte, kommt auch eine Kombination dieser beiden Varianten in Frage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu beheben.
Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Im Folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schaltplan einer Ladeeinheit Fig. 2 Diagramme des Ladestroms
Der Lösungsansatz basiert darauf,
- dass die verwendeten Bauteile Maximalbelastbarkeiten aufweisen, welche zielführend eingehalten werden müssen,
- dass die zu beladenden Kondensatoren in Serie geschaltet sind, was höhere Spannungen ermöglicht, bei welchen bei gleichen Strömen in gleichen Zeiteinheiten wesentlich mehr Energie übertragen werden kann und einer
Geschwindigkeitsoptimierung auf Seiten der zu beladenden Kondensatoren entspricht,
- dass die ladenden Kondensatoren schrittweise und mit zunehmender Anzahl seriell zu einem Verbund zusammengefasst werden, was einer
Geschwindigkeitsoptimierung auf Seiten der ladenden Kondensatoren entspricht,
- dass jeweils ein weiterer ladender Kondensator in den Verbund aufgenommen wird, sobald der daraus resultierende Verbund die Maximalbelastbarkeit der Bauteile einhalten wird, - dass im Vergleich zu dem zu beladenden Kondensatoren verbund der ladende Kondensatorenverbund eine wesentlich grössere Gesamtkapazität, eine grössere Maximalspannung, und somit eine gewisse Überdimensionierung aufweisen
- und dass die energieliefernden Kondensatoren zwischen den portionierten, energieabgebenden Teilphasen miteinander parallel verbunden sind, was idealer Weise auch mit den zu ladenden Kondensatoren gemacht werden sollte.
Der Verbund der stationären Kondensatoren weist eine wesentlich grössere Gesamt-Kapazität auf als der Verbund der mobilen Kondensatoren.Der Verbund der stationären Kondensatoren kann mit einer geringeren, gleichen oder grösseren Anzahl von Kondensatoren, im Vergleich zu der Anzahl Kondensatoren des mobilen Verbundes, betrieben werden. Idealer Weise weist er aber eine grössere Anzahl auf, nämlich 50% bis 100% mehr als der Verbund der mobilen Kondensatoren. Ist dies nicht der Fall, müssen sinnvoller Weise die mobilen Kondensatoren umso mehr zum Laden auf parallel geschaltet werden.
Bei der Dimensionierung der stationären Kondensatoren ist folgendes zu berücksichtigen:
Je mehr Kapazität sie aufweisen, im Vergleich zu den zu beladenden mobilen Kondensatoren, desto mehr nacheinander erfolgende Beladungen von mobilen Kondensatoren-Verbünden sind ohne zwischenzeitliches Nachladen des stationären Kondensator-Verbundes möglich. Bei ausreichender Dimensionierung können somit (1)billiger Nachtstrom „gebunkert" werden, (2)Spitzen-Nachfrage-Zeiten (Stossverkehr) besser oder überhaupt erst bedient werden, und (3)die heute auf 90% der Belastbarkeit laufenden Stromnetze durch zeitliches Anpassen der Beladung der stationären Kondensatoren weniger belastet werden. Verfügen in der vorliegenden Vorrichtung die stationären Kondensatoren nicht über wesentlich mehr Kapazität als die mobilen Kondensatoren, so kann es sich ergeben, speziell wenn der Ausgleich der Spannungen der stationären Kondensatoren durch das Weglassen eines Zwischenschrittes des Parallelschaltens zum Ausgleichen, dass gewisse stationäre Kondensatoren, jene welche zuerst zur Energieübertragung genommen werden, sich so sehr entladen und in weiteren Schritten zuerst vollständig entladen und danach die Polarität wechseln, d.h. negativ geladen sind, was drei Effekte hat: Die letzteren tragen nicht mehr zum Ladevorgang bei, da sie keine Energie mehr abgeben können, sie werden negativ geladen, gehören nun also zu den zu beladenden Kondensatoren, was den Ladevorgang ineffizienter macht, und sie können durch den Polaritätswechsel Schaden nehmen.
Dies ist ein Grund, weshalb die Kapazität der stationären Kondensatoren wesentlich grösser sein sollte als die der mobilen Kondensatoren. Ist es nicht möglich kapazitiv wesentlich grössere Kondensatoren im stationären Kondensatoren-Verbund einzusetzen, beispielsweise weil schon die derzeit auf dem Markt erhältlichen, grössten Kondensatoren als mobile Kondensatoren verwendet werden, so kann ein stationärer Kondensator seinerseits aus mehreren parallel geschalteten Kondensatoren bestehen. Zwischen einzelnen Ladephasen, bzw. Ladeimpulsen während des Vorgangs des Beladens von mobilen Kondensatoren durch stationäre Kondensatoren sollten beide jeweils für einen Augenblick parallel geschaltet werden, damit sie sich „Verbunds-Intern" ausgleichen können. Erfolgt dies auf der Seite der stationären Kondensatoren nicht, sind die Ausgleichsströme nach dem Ladevorgang möglicher Weise so gross, dass sie die Spezifikationen überschreiten.
Erfolgt es auf der Seite der mobilen Kondensatoren nicht, können letzte Schaden nehmen durch Überschreitung der spezifizierten individuellen maximalen Nennspannung.
Der in der Figur dargestellte Schaltplan zeigt eine Ladeeinheit im Zustand, in dem keine Beladung von mobilen Kondensatoren stattfindet. Die Ladeeinheit umfasst sieben Kondensatoren CI bis C7 und diesen zugeordnete Relais RI bis R7 .
Bei den Relais handelt es sich um den Typ Double Pole Double Throw "DPDT"1 ("zwei Kontakte zwei Zustände"), beispielsweise OMRON G5V-2 oder Finders 40.52.
Alle Relais R1-R7 befinden sich in der Schaltposition, in der die Pluspole der Kondensatoren über eine Leitung LI und ihre Minuspole über eine Leitung L2 miteinander verbunden sine. Die Kondensatoren sind also über die Leitungen LI und L2, sowie über die Relais R1-R7 parallel geschaltet .
Die Ansteuerungsanschlüsse der Relais sind jeweils über Schalter S1 bis S7 und eine Leitung L3 mit einer Stromversorgung B verbunden. Die Ansteuerungsanschlüsse der Relais sind ausserdem über Dioden Dl bis D6 untereinander verbunden.
Die zu beladenden Kondensatoren sind in der Figur nicht gezeigt. Sie werden an der Verbindungsbuchse Jl angeschlossen. Die Verbindungsbuchse Jl dient auch dem Anschluss der Ladeeinheit an eine Stromquelle zum Laden der Kondensatoren C1-C7. Die Kondensatoren C1-C7 sind so miteinander verschaltet, dass sie durch Betätigen der Schalter S1 bis S7 in der Art eines Stapels angeordnet werden können, wobei Cl der unterste Kondensator des Stapels ist und zum Beladen von mobilen Kondensatoren als erster mit der Verbindungsbuchse J1 verbunden wird.
Zwischen dem Relais RI und der Verbindungsbuchse Jl ist ein weiteres Relais R8 angeordnet, das dem Verbinden der Ladeeinheit mit der Verbindungsbuchse Jl bzw. dem Trennen zwischen ihnen dient.
Die Dioden Dl bis D6 haben folgende Funktion: Falls einer der Schalter Sl bis S7 betätigt wird, muss sichergestellt sein, dass zusammen mit dem entsprechenden Relais auch sämtliche "darunter" liegenden Relais betätigt werden, und zwar gleichzeitig. Wird also beispielsweise S3 betätigt, stellen die Dioden D2 und Dl sicher, dass nicht nur Relais R3, sondern auch die Relais R2 und Rl aktiviert werden. Dies ist essentiell wichtig, da sonst die verschiedenen Kondensatoren garantiert Schaden nehmen würden. In diesem veranschaulichenden Beispiel wäre, falls nur R3 aktiviert würde, folgende Situation:
-die Minuspole der Kondensatoren Cl, C2, C4 bis C7 wären miteinander verbunden,
-die Pluspole der Kondensatoren Cl, C3, C4 bis C7 wären verbunden,
- der Minuspol von Kondensator C3 wäre mit dem Pluspol von Kondensator C2 verbunden, womit
-die Spannung von C2 plus C3 würde an den Kondensatoren Cl,
C4 bis C7 anliegen und somit letztere zerstören, wenn man davon ausgeht, dass die stationären Kondensatoren, um ihre Funktion (sinnvoll) ausführen zu können, zu wesentlich mehr als nur 50% geladen sein sollten. In anderen Worten fangen die Dioden Dl bis D6 diese Problematik ab. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass diese Problematik unabhängig vom Zustand von R8 ist, aber falls zusätzlich gleichzeitig auch noch teilgeladene mobile Kondensatoren über ein aktiviertes Relais R8 zugeschaltet sind, so können möglicher Weise auch noch die Kondensatoren C2 und C3 Schaden nehmen.
Um ein sicheres Verhalten der Anlage sicher zu stellen, ist der Grundsatz zu berücksichtigen, dass zuerst (und in Abhängigkeit des Ladezustandes der mobilen Kondensatoren) die Schalter S1 bis S7 aktiviert werden sollten, und erst danach der Schalter S8, was ermöglicht, kostengünstigere Relais für RI bis R7 zu verwenden, gesetzt der Fall, dass das Relais R8 korrekt, d.h. wesentlich stabiler dimensioniert ist, als erstere 7. Mit stabiler dimensioniert ist gemeint, dass RI bis R7 die gleichen Ströme leiten können müssen, welche R8 schalten können muss, was einen erheblichen Unterschied ausmacht.
In diesem Schaltplan nicht aufgeführt ist folgendes;
-Spannungssensor, welcher am Verbund der mobilen
Kondensatoren die Spannung misst und dieses an die Steuerelektronik weiterleitet, welche den Ladungsprozess abbricht, d.h. beendet, sobald der maximal zulässige Wert erreicht wird, bzw. optional in paralleler Konfiguration der stationären UND mobilen Kondensatoren weiterführt (siehe Exkurs),
-Schaltplan der mobilen Kondensatoren, welcher aber gemäss den eingangs erwähnten Patenten sich ergibt,
-Schaltplan der die stationären Kondensatoren ladenden
Elektronik, welche mannigfaltiger Ausprägung sein kann und hier nicht zielführend beitragen würde.
Nachfolgend wird der Ablauf der stufenweisen Zuschaltung der Kondensatoren C1-C7 beschrieben. - Am Terminal J1 wird der Verbund der mobilen Kondensatoren angeschlossen.
- Zuerst wird der Schalter S1 gedrückt; dadurch ist Kondensator 1 mit dem Relais R8 verbunden,
- dann wird der Schalter S8 gedrückt; dadurch lädt der Kondensator 1 die mobilen Kondensatoren; der Strom, welcher nun fliesst, nimmt dabei konstant ab und die anliegende Spannung nimmt zu.
- Unterschreitet der Strom einen gewissen Wert, wird der Schalter S8 losgelassen, danach wird der Schalter S1 losgelassen und die mobilen Kondensatoren von seriell auf parallel umgeschaltet.
- Nach ca. einer Sekunde wird der Schalter S2 gedrückt und die mobilen Kondensatoren werden auf seriell umgeschaltet. - Nun wird der Schalter S8 gedrückt; nun laden die beiden seriell geschalteten Kondensatoren 1 und 2 die mobilen Kondensatoren.
- Unterschreitet der Strom einen gewissen Wert, wird der Schalter S8 losgelassen, danach wird der Schalter S2 losgelassen und die mobilen Kondensatoren von seriell auf parallel umgeschaltet.
- Nach ca. einer Sekunde wird der Schalter S3 gedrückt und die mobilen Kondensatoren auf seriell umgeschaltet.
- Nun wird der Schalter S8 gedrückt; nun laden die seriell geschalteten Kondensatoren 1, 2 und 3 die mobilen Kondensatoren.
- Unterschreitet der Strom einen gewissen Wert, wird der Schalter S8 losgelassen, danach wird der Schalter S3 losgelassen und die mobilen Kondensatoren von seriell auf parallel umgeschaltet.
- Nach ca. einer Sekunde wird der Schalter S4 gedrückt und die mobilen Kondensatoren auf seriell umgeschaltet. - Nun wird der Schalter S8 gedrückt; nun laden die seriell geschalteten Kondensatoren 1, 2, 3 und 4 die mobilen Kondensatoren.
- Unterschreitet der Strom einen gewissen Wert, wird der Schalter S8 losgelassen, danach wird der Schalter S4 losgelassen und die mobilen Kondensatoren von seriell auf parallel umgeschaltet.
- Nach ca. einer Sekunde wird der Schalter S5 gedrückt und die mobilen Kondensatoren auf seriell umgeschaltet.
- Nun wird der Schalter S8 gedrückt; nun laden die seriell geschalteten Kondensatoren 1, 2, 3, 4 und 5 die mobilen Kondensatoren.
- Unterschreitet der Strom einen gewissen Wert, wird der Schalter S8 losgelassen, danach wird der Schalter S5 losgelassen und die mobilen Kondensatoren von seriell auf parallel umgeschaltet.
- Nach einer Sekunde wird der Schalter S6 gedrückt und die mobilen Kondensatoren auf seriell umgeschaltet.
- Nun wird der Schalter S8 gedrückt; nun laden die seriell geschalteten Kondensatoren 1, 2, 3, 4, 5 und 6 die mobilen Kondensatoren.
- Erreicht die an den mobilen Kondensatoren die maximal zulässige Spannung, oder Unterschreitet der Strom einen gewissen Wert, wird der Schalter S8 losgelassen, danach wird der Schalter S6 losgelassen und die mobilen Kondensatoren von seriell auf parallel umgeschaltet.
- Nach einer Sekunde wird der Schalter S7 gedrückt und die mobilen Kondensatoren auf seriell umgeschaltet.
- Nun wird der Schalter S8 gedrückt; nun laden die seriell geschalteten Kondensatoren 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7 die mobilen Kondensatoren.
Erreicht die an den mobilen Kondensatoren die maximal zulässige Spannung, wird der Schalter S8 losgelassen, danach wird der Schalter S7 losgelassen und die mobilen Kondensatoren von seriell auf parallel umgeschaltet.
- Nach ca. einer Sekunde werden die mobilen Kondensatoren auf seriell umgeschaltet.
- Nun ist der Ladevorgang abgeschlossen und die mobilen Kondensatoren von J1 getrennt.
Der Ausdruck "Unterschreitet der Strom einen gewissen Wert" bedarf einer Erklärung:
Wenn ein voll geladener einen leeren Kondensator identischer Art "lädt", so ergibt sich der im Diagramm der Fig. 2a dargestellte Stromverlauf. Diesen Verlauf kann man in drei Bereiche einteilen; a.Zuerst fliesst ein sehr starker Strom, welcher Bauteile (Leitungen, Steuerelektrik, etc.) beschädigen kann. Die hier beschriebene Erfindung soll dies verhindern, weshalb der Ladevorgang nicht in diesem Bereich stattfinden soll. b. Während einer gewissen Zeit fliesst ein starker Strom. c. Ab einem gewissen Zeitpunkt fliesst nur noch wenig Strom, und man müsste sehr lange warten, bis der Ladevorgang vollständig abgeschlossen ist. In diesem Bereich soll der Ladevorgang nicht stattfinden.
Somit ergibt sich, dass der Ladevorgang, bildlich gesprochen, im Bereich zwischen den Punkten A und B in dem in Fig. 2b gezeigten Diagramm stattfindet.
Ein einzelner Teilschritt soll also den im Diagramm der Fig. lc gezeigten Bereich abdecken:
Mehrere Teilschritte hintereinander decken die im Diagramm der Fig. 2d gezeigten Bereiche ab: Während eines Ladeteilschritts, also wenn ein Schalter S gedrückt wird, fliesst Strom von den stationären zu den mobilen Kondensatoren, welcher kontinuierlich abnehmend ist. Somit liegt seine Spitze am Anfang eines Ladeteilschrittes. Damit diese nie einen gewissen Maximalwert überschreitet, definiert, im obigen Schema, Punkt A2, wann Bl erreicht ist. Somit stellt Bl den oben genannten "gewissen Wert". Dieser lässt sich berechnen oder experimentell bestimmen.
Somit arbeitet die Vorrichtung immer im optimalen Bereich; maximale Stromstärken werden nie überschritten und die Ladedauer minimiert.
Die Dioden Dl bis D6 dienen dazu, gleichzeitig alle benötigten Relais zu aktivieren, welche den betreffenden Kondensator plus die "darunter liegenden" schalten.
Der Verbund der mobilen Kondensatoren besteht im Ausführungsbeispiel aus fünf Kondensatoren. Er kann aber auch aus einem Verbund von mehreren ünterverbünden von einem Vielfachen an Kondensatoren bestehen, welche zum Laden teils parallel und teils seriell geschalten werden könnten.
Dies hat dann aber den Nachteil, dass der Ladevorgang länger dauert, als wenn alle mobilen Kondensatoren seriell geschaltet sind, kann aber in der Praxis den Vorteil haben, dass u.a. eine höhere Kompatibilität zwischen mobilen und stationären Kondensatoren erreicht werden kann oder mobile Kondensator Verbünde, welche für spezielle Anwendungen (mit hohem Spannungsbedarf) ausgelegt sind, trotzdem von bestehenden stationären Kondensator-Verbünden immer noch relativ schnell beladen werden können.
Generell empfiehlt es sich, einen mobilen, wie einen stationären Kondensatoren-Verbund zuerst seriell geschaltet zu beladen, und sobald sich die an den zu ladenden, noch seriell geschalteten Kondensatoren anliegende Spannung sich der maximal zulässigen Nennspannung annähert in einer zweiten Phase parallel zu laden.
Zum Beladen der stationären Kondensatoren bieten sich viele Lösungen an, wie beispielsweise Schaltnetzteile oder DC/DC- Konvertoren (dc/dc-step up oder -Step down Converters, aka Buck Converters). Besteht ein Verbund von stationären Kondensatoren aus so vielen Kondensatoren, dass sie, falls sie seriell geschaltet sind, eine maximal zulässige Gesamtnennspannung von beispielweise 240 Volt aufweisen, so kann auch ein Gleichrichter zwischen Netzspeisung und stationären Kondensatoren eingesetzt werden, wobei der Zugang zum Netzstrom mindestens so viel Strom zu liefern im Stande sein muss, wie die stationären Kondensatoren maximal aufnehmen können, was durch den Gesamtinnenwiderstand aller betroffenen Bauteile inkl. den stationären Kondensatoren gegeben ist. Dabei ist zu beachten, dass die an den stationären Kondensatoren anliegende Spannung konstant zunimmt, während der fliessende Strom konstant abnimmt. Auch hier bieten sich zum besseren Monitoring und optimalen Management „logische Dreipolrelais" an, müssen aber nicht zwingend eingesetzt werden.
Stellt man sich vor, einen mit Kondensatoren, aka Supercapacitors ausgerüsteten LkW in kurzer Zeit zu beladen , so wird die benötigte Energiemenge es erfordern, die einzelnen Bauteile entsprechend zu wählen und dimensionieren, und dass es unumgänglich ist, die Supercapacitors eines LKW schrittweise zu laden.
Beispiel
Zum Prüfen der Funktion der Erfindung wurde ein Modell- Prototyp realisiert. Er besteht aus einer stationären Einheit mit stationären Kondensatoren und einem ferngesteuerten Modellauto der Marke Carrera F150. Die stationäre Einheit enthält sieben Supercapacitors der Marke SPSCAP mit je 3kF, das Modellauto enthält fünf Supercapacitors der Marke SPSCAP mit je 150F. Die mobilen Kondensatoren sind festverlötet und seriell geschaltet. Die stationären Kondensatoren sind analog dem in der Figur gezeigten Schaltbild verschaltet; im Schaltbild sind der Einfachheit halber nur sieben Kondensatoren aufgeführt. Der Hersteller Carrera liefert auch noch eine wiederaufladbare Nickel-Metall-Hydrid- Batterie und empfiehlt, die Batterie 90 Minuten zu laden, um 20 Minuten Fahren zu können.
Die Elektronik des Modellautos wurde in keiner Weise verändert, ausser dadurch, dass an den beiden speisenden Kontakten, welche ursprünglich vom Ni-MH-Akku kommen, zusätzlich jene der mobilen Kondensatoren aufgelötet und dazwischen ein Schalter angebracht wurde. Damit kann das Modellauto auch in der originalen Konfiguration eingesetzt werden. Testreihen bestätigen die Angaben des Herstellers betreffend Ladezeit (90 Minuten) und Fahrzeit (20 Minuten).
Damit die Elektronik des Modellautos entsprechend den Spezifikationen des Herstellers arbeiten kann, wurde zwischen den mobilen Kondensatoren und der Elektronik des Modellautos zuerst ein Step-Up-DC/DC-Konverter verwendet, welcher die Spannung auf 20 Volt erhöht. Danach wurde ein Step-down-DC/DC-Konverter eingesetzt, welcher 6 Volt liefert. Zwischen den DC/DC-Konvertern und der Elektronik des Modellautos wurde ein Schalter angebracht. Die Testreihen ergaben, dass das mit den Kondensatoren angetriebene Modellauto mit einer Ladezeit von 20 Sekunden 5 Minuten fährt. Diese Effizienz wurde erreicht, ohne dass eine besondere Optimierung der kapazitiven Versorgung vorgenommen wurde. Bereits damit ist das Verhältnis von Ladedauer zur Nutzungsdauer für den Kondensatorbetrieb um den Vergleichsfaktor mehr als 65 besser als für den Batteriebetrieb. Mit entsprechender Optimierung könnte der Vergleichsfaktor mit derzeit auf dem Markt verfügbaren Supercapacitors ohne weiteres verdoppelt werden.
Aktuelle Forschungsresultate zeigen, dass sich die Kapazität von Kondensatoren von derzeit 0.3F/cm2 auf 4F/cm2 und in naher Zukunft auf llF/cm2" erhöhen lässt (Quelle Superdielectrics Ltd.). Für das ferngesteuerte Modellauto, würde dies bedeuten, dass mit 2 Minuten laden rein rechnerisch etwa 6.6 Stunden, bzw. etwa 18 Stunden gefahren werden könnte. Damit würde der Vergleichsfaktor mindestens weitere 3 bis 7 Mal höher.

Claims

Patentansprüche
1 .Ladeeinheit mit einer Anzahl stationärer Kondensatoren zum Laden mobiler Kondensatoren, die über eine Verbindungsbuchse anschliessbar sind, gekennzeichnet durch Schalteinrichtungen zum Verbinden eines ersten Kondensators mit den mobilen Kondensatoren und zum schrittweisen Zuschalten jeweils eines weiteren Kondensators, wobei die Anzahl und jeweilige Kapazität der stationären Kondensatoren im Vergleich zu den mobilen grösser ist.
2 .Ladeeinheit gemäss Anspruch 1 gekennzeichnet durch ein Relais zwischen dem stationären Kondensatorverbund und der Verbindungsbuchse.
3. Verfahren zum Laden mobiler Kondensatoren mittels einer Ladeeinheit gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils schrittweise stationäre Kondensatoren zugeschaltet werden und zwischen den einzelnen Schritten die stationären Kondensatoren von den mobilen Kondensatoren getrennt und die jeweiligen Kondensatoren parallel geschaltet werden, damit ihre Spannungszustände sich ausgleichen können.
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