EP4519955A1 - Schaltungsanordnung - Google Patents

Schaltungsanordnung

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Publication number
EP4519955A1
EP4519955A1 EP23707926.4A EP23707926A EP4519955A1 EP 4519955 A1 EP4519955 A1 EP 4519955A1 EP 23707926 A EP23707926 A EP 23707926A EP 4519955 A1 EP4519955 A1 EP 4519955A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bypass
supercapacitor
control unit
circuit
circuit arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP23707926.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christos Vellios
Joachim Sauerborn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hyposto Energy GmbH
Original Assignee
Swj Germany GmbH
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 Swj Germany GmbH filed Critical Swj Germany GmbH
Publication of EP4519955A1 publication Critical patent/EP4519955A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • H02J7/54—Passive balancing, e.g. using resistors or parallel MOSFETs
    • 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
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/60—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries including safety or protection arrangements
    • H02J7/64—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries including safety or protection arrangements against overvoltage
    • 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
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/90—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/96—Regulation of charging or discharging current or voltage in response to battery voltage
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement, an electrical energy storage device, the use of a circuit arrangement as an energy storage device and a method for operating a circuit arrangement.
  • Energy can be stored, among other things, through chemical conversion (e.g. in accumulators) or through physical processes (e.g. in capacitors).
  • Capacitors can be differentiated according to their design. For example, there are ceramic capacitors, plastic film capacitors, metal paper capacitors and electrolytic capacitors. These types of capacitors typically have a capacity ranging from picofarads (pF) to about 1 farad.
  • supercapacitors have a low nominal voltage of usually 2.4 to 2.7 V compared to conventional capacitors. At the same time, supercapacitors are extremely sensitive to higher voltages. Even slightly exceeding the nominal voltage during the charging process can lead to permanent damage to the supercapacitor. If supercapacitors are integrated into electronic circuits, it therefore makes sense to protect them from higher voltages.
  • the circuit arrangement has at least one supercapacitor and a bypass circuit connected in parallel to the supercapacitor, which prevents or limits charging of the supercapacitor in an active state.
  • the bypass circuit is in an inactive state below a predefined voltage threshold of a capacitor voltage applied to the supercapacitor and is put into the active state when the predefined voltage threshold is exceeded.
  • the circuit arrangement is characterized in that the bypass circuit comprises a switch that can be controlled by a control unit, by means of which the bypass circuit can be set into the active state independently of the predefined voltage threshold, in particular from the inactive state into the active state.
  • a connection of the control unit is preferably also at the zero potential of the circuit arrangement.
  • the resistors are adapted to the nominal maximum capacitor potential of the associated supercapacitor.
  • the nominal maximum capacitor potential results from the nominal voltages of the supercapacitors connected in series and the position of the respective supercapacitor in the series connection starting from the cathode. For example, if three supercapacitors with a nominal voltage of 2.7 V are connected in series, then starting from the anode, the nominal maximum capacitor potential is 2.7 V for the first supercapacitor, 5.4 V for the second supercapacitor and 8 for the third supercapacitor. 1V
  • the resistors of the voltage divider are selected such that the potential present at the input of the control unit is below a predetermined level Value is, which is preferably 5 V.
  • the predetermined value is particularly preferably identical for all inputs.
  • the voltage dividers of the bypass circuits of adjacent supercapacitors are preferably different.
  • the resistances of each voltage divider are in particular selected such that the predetermined value is not exceeded at the nominal maximum capacitor potential of the associated supercapacitor.
  • the voltage threshold is preferably defined by the bypass circuit itself, in particular by its electronic components. In particular, it is not specified, influenced or even controlled from outside the bypass circuit.
  • the bypass circuit has at least one bypass transistor, which works as a switching element and is connected in parallel to the supercapacitor, and a cross-controller connected in parallel to the supercapacitor, which switches the bypass transistor through (becomes conductive) when its switching threshold is reached and thereby the bypass transistor.
  • circuit is put into the active state in which the bypass circuit passes current around the supercapacitor.
  • a cross-controller can generally be understood as a component that is connected in parallel to the supercapacitor and, at least in the active state, always absorbs enough current that the voltage across the supercapacitor is kept constant. In the bypass circuit, the cross-controller acts as a threshold switch.
  • a threshold switch is generally an electronic or electrical component that combines the function of a sensor with a switching function. The switching process is triggered when the physical quantity “measured” by the sensor exceeds a preset limit value (the threshold value).
  • the measured variable is a variable of the circuit arrangement, namely the capacitor voltage applied to the supercapacitor.
  • the cross-controller is preferably switchable and has a control input for this purpose.
  • a TL431 switchable
  • the cross controller can therefore also be referred to as a parallel controller, shunt controller or threshold switch.
  • a resistor is connected in series with the bypass transistor and the resistor and the bypass transistor are connected together in parallel with the supercapacitor. This prevents a short circuit from occurring if the bypass circuit is activated.
  • the bypass transistor is preferably a bipolar transistor.
  • a MOSFET metal-oxide-semiconductor field effect transistor
  • the bypass transistor delivers a sufficiently high current, in particular >2 A, between collector and emitter even at low voltages, in particular ⁇ 2.7 V. In this way, the bypass transistor provides a good protection function for the supercapacitor.
  • the switching threshold is an intrinsic variable of the cross-controller. If the cross-controller has a control input, the switching threshold at the control input must be reached so that the cross-controller switches. With a TL431 the switching threshold is 1.5 V to 2.5 V.
  • the supercapacitor is first charged by a charging current as usual.
  • the bypass circuit is in a passive (inactive) state as long as the switching threshold of the cross controller is not reached.
  • the at least one bypass transistor is controlled by the cross-controller.
  • the bypass circuit is then in an active state. In this state, the bypass circuit passes current around the supercapacitor. This current does not further charge the supercapacitor, so an overvoltage does not occur at least when the supercapacitor's charging current is less than or equal to the current passed through the bypass circuit around the supercapacitor. In any case, the amount of current charging the supercapacitor is reduced by the bypass circuit in the active state and the supercapacitor is protected in this way.
  • the cross-controller preferably defines the switching point for the bypass transistor by connecting an output of the cross-controller to a control input of each bypass transistor.
  • a resistor is particularly preferably arranged between the output (anode connection) of the cross-controller and the input of each bypass transistor. The use of a resistor between the cross-controller and the bypass transistor serves to compensate for tolerances and limit the maximum current of the base connection. The resistors ensure that the actual switching times of the bypass transistors, which always differ due to tolerances, are not too far apart.
  • the amplification effect of transistors is not binary, but follows a characteristic curve and depends on the level of the voltage on the capacitor (base-emitter voltage) and/or a control signal. A higher base-emitter voltage increases the gain, i.e. the transistor is further “controlled”. If the control signal is low, the amplification effect of a transistor is lower. Simple capacitors have higher nominal voltages compared to supercapacitors. These higher voltages are then also available to control transistors in a bypass circuit. As a result of the higher voltages, the transistors in the bypass circuit turn on more strongly and immediately conduct a higher current around the capacitor, protecting it very effectively. With simple capacitors, bypass circuits achieve a sufficient bypass effect.
  • bypass circuits By arranging at least two bypass circuits in parallel with the supercapacitor, more current can be conducted around the supercapacitor.
  • the bypass circuits are independent of each other. Different switching points can therefore be provided for the respective controlled bypass transistor. In this way, the protection of the supercapacitor can, for example, be switched on in multiple stages depending on the voltage present.
  • each bypass circuit comprising two bypass transistors that work as switching elements and are each connected in parallel to the supercapacitor, with the switching threshold of the cross-controller defining the switching point for the two bypass transistors connected in parallel.
  • the bypass transistors are preferably nominally identical.
  • the two bypass transistors are connected together in this case, allowing a higher current to be passed around the supercapacitor.
  • the bypass circuit preferably also has a display transistor connected in parallel to the supercapacitor.
  • the display transistor is also controlled by the cross-controller as soon as it reaches its switching threshold. In this way, the switching threshold of the cross-controller defines the switching point for the display transistor.
  • a light-emitting diode and a resistor are also connected in series in the load path of the display transistor.
  • a resistor for tolerance compensation and a current limitation of the maximum current of the base connection is arranged between the regulator node and the base of the display transistor.
  • the display transistor can differ from the bypass transistor due to the further connection to the light-emitting diode.
  • the resistance between the regulator node and the base of the display transistor is preferably selected such that the display transistor switches at the same time as the bypass transistors.
  • the bypass circuit preferably comprises a voltage divider connected in parallel to the supercapacitor, the voltage divider node of which is connected to a control input of the cross-regulator, it being defined by the voltage divider that the cross-regulator reaches its switching threshold when the predefined voltage threshold on the supercapacitor is reached.
  • the voltage divider preferably has two resistors connected in series, between which the voltage divider node is arranged.
  • at least one of the two resistors can be formed by a variable resistor arrangement, by means of which the node potential is selectable.
  • the variable resistor arrangement can be used to select at which capacitor voltage the cross-controller reaches its switching threshold.
  • different bypass circuits for example for different supercapacitors, can be implemented with the same components, which can reduce production costs.
  • the node potential is then influenced depending on which switching point is desired or what capacity the supercapacitor connected in parallel has.
  • the variable resistance arrangement preferably has a plurality of parallel sub-strands, each with a different electrical resistance, and comprises a selection means, whereby exactly one sub-strand can be selected as a conductive sub-strand or several sub-strands can be selected as conductive sub-strands by means of the selection means.
  • the selection means makes it possible to easily select between the sub-strands exactly the sub-strand(s) that is/are the right one for the supercapacitor to be used.
  • the selection can be made through fixed contacting, for example by soldering, or variable contacting, for example using a changeover switch.
  • bypass circuits are used for a supercapacitor and their cross-controllers are to switch at different capacitor voltages, then when using identical components in one bypass circuit, a first sub-strand and a second sub-strand can be selected in the other bypass circuit.
  • the node potentials of the two voltage dividers are always different and as a result the switching times of the cross controllers also differ from one another. This allows the different switching times of the two bypass circuits to be implemented in a simple manner.
  • variable resistance arrangement preferably comprises a potentiometer.
  • a potentiometer enables continuous adjustment of the resistance and ultimately the switching time.
  • a circuit arrangement with a potentiometer can therefore be adapted more flexibly to the needs.
  • the switch has an open and a closed state and preferably switches on the bypass transistor in the closed state.
  • the switch and the cross-controller are particularly preferably connected in parallel and can switch the bypass transistor through independently of one another. If the cross-controller has already switched the bypass transistor through, pressing the switch does nothing. The switch is nevertheless suitable for switching on the bypass transistor regardless of the voltage threshold.
  • the bypass circuit preferably comprises an optocoupler with a transmitting side and a receiving side, the transmitting side being connected to the control unit and the receiving side forms the switch.
  • the transmitting side and the receiving side of an optocoupler can communicate with each other, i.e. in particular transmit signals, but are galvanically separated from each other. Due to the different potentials of the various supercapacitors, it is advantageous to provide a component with galvanic isolation between the control unit and the switch. Other components that provide galvanic isolation can also be used instead of the optocoupler, for example an isolating transformer or a relay.
  • the transmitting side of the optocoupler preferably has a light-emitting diode and the receiving side has a phototransistor.
  • the light-emitting diode is controlled by the control unit of the circuit arrangement.
  • the light-emitting diode is connected to an output of the control unit. If the LED is activated by the control unit (“HIGH level triggering”), it switches the phototransistor on, which makes the switch conductive, i.e. in the closed state. If the LED is deactivated, the switch is opened. In other words, the switch can be switched into the open and closed states depending on a signal from the transmitting side.
  • the control unit preferably comprises at least one multiplexer, in particular a 74HC4067.
  • the control unit particularly preferably comprises a multiplexer, which forms the inputs for the input signals, and a multiplexer, which forms the outputs for the switches.
  • the multiplexers are preferably connected to a central control element of the control unit, for example an
  • control units are provided, with each control unit being connected to at least one switch of a bypass circuit and with adjacent control units being connected to one another with galvanic isolation.
  • the control units can communicate with one another through their connection and, in particular, exchange information about the charging states, i.e. the capacitor voltages of individual supercapacitors assigned to them.
  • assemblies are created, each consisting of a control unit and several associated supercapacitors, each with an associated bypass circuit.
  • such assemblies can be interconnected in various ways, i.e. in particular in series and/or parallel. In this way, an energy storage device is provided that is tailored precisely to the desired application.
  • the circuit arrangement can include one or more temperature sensors of its own, which is connected to the control unit.
  • each supercapacitor and/or each bypass circuit is assigned a temperature sensor.
  • the control unit can put the bypass circuit(s) into the active state depending on the signal from the temperature sensors.
  • supercapacitors are subject to manufacturing tolerances (manufacturing tolerances). If several supercapacitors are connected in series in a circuit, the individual supercapacitors are charged at different rates. This effect increases with the difference in the actual capacity of the individual capacitors. The inventors realized that this effect can be reduced by connecting several capacitors in parallel, thereby better protecting the individual supercapacitors.
  • at least two supercapacitors connected in parallel are provided, which together form a supercapacitor group. In other words: several supercapacitors are connected in parallel and the bypass circuit is provided in parallel.
  • connecting multiple capacitors in parallel means that the supercapacitor group is less likely to deviate significantly from its rated capacity.
  • the supercapacitors connected in parallel are nominally identical in construction. Identical components have the same tolerance limits, which makes the statistical effect particularly effective.
  • the above description relating to series-connected supercapacitors also applies to series-connected supercapacitor groups.
  • the circuit arrangement preferably comprises a switching element connected to the control unit, which is set up to be able to disconnect and close the connection between a connection for a power source and the supercapacitor.
  • the switching element is preferably a relay which is connected in series with the supercapacitors.
  • the object of the invention is also achieved by an electrical energy storage device with a housing and at least one circuit arrangement arranged in the housing according to the above description. Spelling solved.
  • the series-connected supercapacitors provide a higher voltage rating than is possible with a single supercapacitor. At the same time, deviations in the charging states of the supercapacitors are avoided by the circuit arrangement according to the invention.
  • the energy storage then advantageously provides the zero potential for the first circuit arrangement in the series, for example through a connection to ground. All other circuit arrangements have the higher end potential of the previous circuit arrangement in the series as the zero potential.
  • the zero potential of the first circuit arrangement is 0 V
  • the zero potential of the second circuit arrangement is 25 V
  • the zero potential of the third circuit arrangement is 50 V.
  • At least one temperature sensor can be arranged in the housing, which detects the temperature in the housing.
  • the temperature sensor is connected to the control unit.
  • the housing is preferably grounded.
  • the energy storage preferably comprises at least one display connected to the control unit, in particular connected galvanically separately, on which, for example, the temperature in the housing, the input signals of the control units, the capacitor voltages of the supercapacitors, the active bypass circuits, the states of all bypass devices associated with the control unit Circuits and/or further information are displayed.
  • the energy storage can include a communication unit connected to the control unit.
  • the communication unit serves as a data logger and for communication with other devices.
  • the communication unit preferably has at least one wireless or wired interface, for example WiFi. Remote maintenance is also possible in this way.
  • the communication unit is preferably galvanically isolated from the control unit.
  • the object of the invention is also achieved through the use of a circuit arrangement according to the above description as an energy storage in a photovoltaic system, in a vehicle with an alternative drive, in a charging station for electric vehicles, in a buffer storage of a wind turbine or in a mobile storage.
  • a circuit arrangement according to the above description as an energy storage in a photovoltaic system, in a vehicle with an alternative drive, in a charging station for electric vehicles, in a buffer storage of a wind turbine or in a mobile storage.
  • a suitable circuit arrangement would lead to deviations in the charging states of series-connected supercapacitors over time. These deviations are avoided by the invention. It can also happen that the programming of the inverter of the photovoltaic system switches off before the supercapacitors reach the voltage threshold.
  • the supercapacitors are never fully charged to the point where the voltage threshold is reached and the bypass circuits are switched to the active state. Therefore, even in the event of a supposed full charge, the bypass circuits do not automatically equalize the charge.
  • the circuit arrangement according to the invention is particularly advantageous in such cases because it can ensure equalization of the charge states even below the voltage threshold.
  • the object of the invention is also achieved by a method for operating a circuit arrangement according to the above description.
  • the control unit controls the switch of the bypass circuit in such a way that the bypass circuit is placed in the active state regardless of the predefined voltage threshold.
  • the control unit preferably controls the switches of several bypass circuits depending on the potentials present at the inputs of the control unit. As described above, the potentials provide information about which capacitor voltage is present at each supercapacitor and are therefore particularly suitable as a starting point for controlling the switches.
  • the capacitor voltage then results from the difference between the capacitor potentials of two neighboring supercapacitors.
  • the capacitor voltages of each supercapacitor can be determined as a comparison value and then compared with each other.
  • the comparison is used to determine which supercapacitor has the highest charge (capacitor voltage) and only the bypass circuit associated with this supercapacitor is activated. In this way, only the charging process of a single supercapacitor is stopped and all other supercapacitors can “catch up”. As a result, comparatively little electrical energy is lost as heat. If two or more supercapacitors have the same capacitor voltage, the bypass circuit of the first supercapacitor starting from the anode is preferably put into the active state.
  • the comparison can be used to determine which supercapacitors have a higher capacitor voltage than at least one other supercapacitor in the same series and the bypass circuits of the supercapacitors with higher capacitor voltages are then put into the active state. In this case, all but one of the supercapacitors would no longer be charged.
  • Whether a bypass circuit becomes active may depend on one or more conditions. For example, a bypass circuit can be put into the active state as soon as the supercapacitor associated with it has a higher capacitor voltage than at least one other supercapacitor in the same series. Alternatively, the bypass circuit can only be put into the active state from a certain difference in the capacitor voltages and/or a difference to a certain number of supercapacitors in the same series. The difference is preferably less than 10% of the nominal voltage and/or between 0.02 V and 0.2 V.
  • Figure 1 shows a circuit diagram of a circuit arrangement
  • Figure 2 shows a circuit diagram of an electrical energy storage device.
  • the circuit arrangement 10 shown in Figure 1 comprises two supercapacitors 12, which can be connected to a power source (not shown) and/or a consumer (not shown) via an anode connection 14 and a cathode connection 16. If a power source is connected, the supercapacitors 12 are charged; if a consumer is connected, the supercapacitors 12 are discharged. Due to tolerances, charging and discharging are not completely identical, so that over time and in particular in the event of multiple, incomplete charging and discharging, deviations between the charging states of the two supercapacitors 12 can occur.
  • Each supercapacitor 12 has a positive pole 17 and a negative pole 18.
  • the potential at the positive pole 17 is higher and is also referred to as the capacitor potential.
  • the voltage present at one of the supercapacitors 12, i.e. the potential difference between the positive pole 17 and the negative pole 18, is referred to as the respective capacitor voltage.
  • the bypass strands 40 are identical in construction and are each connected in parallel to the supercapacitor 12. Therefore only one bypass line 40 is described.
  • the bypass strand 40 includes the load path of a bypass transistor 42, the load path being connected in series with a first resistor 44.
  • the bypass transistor 42 is a pnp bipolar transistor.
  • the control train 60 includes the load path of a transverse regulator 62, the load path being connected in series with a second resistor 64.
  • the cross controller 62 is a TL431. This is a controllable cross-controller 62 with three connections, an anode connection, a cathode connection and a reference connection. The load path runs between the anode connection and the cathode connection.
  • the cathode connection of the cross regulator 62 is connected to the negative pole 18 of the supercapacitor 12.
  • a regulator node 63 Between the anode connection of the cross regulator 62 and the second resistor 64 there is a regulator node 63, which is connected to the base of both bypass transistors 42.
  • a third resistor 46 is arranged between the controller node 63 and the base for tolerance compensation.
  • the cross-controller 62 blocks.
  • the base and the emitter of both bypass transistors 42 are then both at the potential of the positive pole 17. No current therefore flows on the base -Emitter path so that the bypass transistors are not switched on.
  • the supercapacitor 12 is charged. Below a voltage threshold of the capacitor voltage applied to the supercapacitor 12, which is predefined by the switching threshold of the cross-controller 62, the bypass circuit 30 is therefore in an inactive state.
  • the voltage divider string 70 has a voltage divider 72.
  • the voltage divider 72 comprises two series-connected resistors, a fifth resistor 73 and a sixth resistor 74.
  • a voltage divider node 75 is arranged between the fifth resistor 73 and the sixth resistor 74 and is connected to the reference connection, i.e. the control input of the cross-controller 62.
  • the ratio of the resistors 73, 74 defines at which capacitor voltage the cross-controller 62 reaches its switching threshold and switches.
  • the switching threshold of the cross-controller 62 is reached at its reference connection, the cross-controller 62 conducts and the system voltage drops across the second resistor 64.
  • the base of the bypass transistors 42 is therefore pulled to the potential of the negative pole, whereby the bypass transistors 42 are switched on, i.e. become conductive. This puts the bypass circuit 30 into the active state.
  • the switching threshold of the cross-controller 62 defines the switching point for the bypass transistors 42. After switching the bypass transistors 42, part of the charging current flows past the supercapacitor 12 through the bypass transistor 42 and in this way charges the supercapacitor 12 no longer up. In this way, the supercapacitor 12 is protected against overvoltage at least when the current flowing from the power source to the supercapacitor 12 does not exceed the current passed through the bypass circuit 30 around the supercapacitor 12.
  • the circuit arrangement 10 further includes a display strand 50, which includes a display transistor 52.
  • the display transistor 52 is also controlled by the cross-controller 62 as soon as it reaches its switching threshold. In this way, the switching threshold of the transverse regulator 62 defines the switching point for the display transistor 52.
  • a third resistor 46 is again arranged between the regulator node 63 and the base of the display transistor 52 for tolerance compensation.
  • a light-emitting diode 54 and a fourth resistor 56 are also connected in series.
  • the bypass transistors 42 and the display transistor 52 are nominally identical in construction (similar in construction) in the embodiment shown here, just as the third resistors 46 are nominally identical in construction. As a result, the transistors 42, 52 all switch at approximately the same time.
  • the bypass transistors 42 and the display transistor 52 may be different in other embodiments.
  • the third resistors 46 are preferably adapted to the respective transistor 42, 52 in such a way that the transistors 42, 52 all switch at approximately the same time.
  • the circuit arrangement 10 further comprises an optocoupler 90, which has a transmitting side 92 with a light-emitting diode 94 and a receiving side 96 with a phototransistor 98 as a switch 100.
  • the transmitting side 92 and the receiving side 96 are galvanically isolated from one another.
  • the light-emitting diode 94 is controlled by a control unit 110 of the circuit arrangement 10.
  • the light-emitting diode 94 is connected on the one hand to an output 114 of the control unit 110 and on the other hand is connected to a zero potential UBO of the circuit arrangement 10.
  • the switch 100 is connected in parallel to the cross controller 62.
  • the control unit 110 is also connected to the zero potential UBO of the circuit arrangement 10.
  • the circuit arrangement 10 includes a display 116 connected to the control unit 110, on which information about the supercapacitors 12, for example their state of charge, and the bypass circuits 30, for example their state (active, passive), is displayed.
  • each supercapacitor 12 is connected to its own input 112 of the control unit 110 via a protective circuit 120.
  • the protection circuit 120 has a voltage divider 122 with two series-connected resistors, a seventh resistor 123 and an eighth resistor 124.
  • the voltage divider 122 is connected at one end to the positive pole 17 and at the other end to the zero potential UBO of the circuit arrangement 10.
  • a node 125 of the voltage divider 122 is located between the resistors 123, 124.
  • a capacitor 126 and a Zener diode 127 are connected in parallel to the eighth resistor 124.
  • the Zener diode 127 and the capacitor 126 serve to protect the input 112 and ensure voltage the electromagnetic compatibility (EMC).
  • the node 125 of the voltage divider is connected to the input 112 of the control unit 110. Therefore, there is an input signal at the input 112 in the form of a potential that is lower than the capacitor potential of the respective supercapacitor 12.
  • the resistors 123, 124 of the voltage divider 122 are adapted to the maximum capacitor potential of the respective supercapacitor 12 in such a way that at the input 112 maximum 5 V is present.
  • the control unit 110 receives an input signal at each input 112 as described. Since the resistance values of the resistors 123, 124 of the respective voltage divider 122 are known, the respective capacitor potential and, due to the series connection, the capacitor voltage of the respective supercapacitor 12 can be determined from the input signal. If the capacitor voltages of the two supercapacitors 12 differ from one another, the control unit 110 can prevent further charging of the supercapacitor 12 with the higher capacitor voltage. For this purpose, the bypass circuit 30 of the affected supercapacitor 12 is put into the active state. First, the light-emitting diode 94 is activated by the control unit 110, whereupon it switches the phototransistor 98 on. This closes the switch 100.
  • bypass transistors 42 The base of the bypass transistors 42 is consequently pulled to the potential of the cathode, whereby the bypass transistors 42 and also the display transistor 52 are switched on, i.e. become conductive. This puts the bypass circuit 30 into the active state. After switching the bypass transistors 42, part of the charging current flows past the supercapacitor 12 through the bypass transistor 42 and in this way no longer charges the supercapacitor 12.
  • the bypass circuits 30 each also include a fuse 32, which is arranged between the positive pole 17 of the respective supercapacitor 12 and the bypass circuit 30.
  • the fuses 32 interrupt the current flow between supercapacitors 12 and bypass circuit 30 in the event of an extreme overvoltage. If a fuse 32 is interrupted, the control unit 110 can recognize this as an error based on the input signals at its inputs 112. In the event of such an error, the control unit 110 can, for example, interrupt the charging process altogether, for example by switching a relay, not shown here, and thus interrupting the connection between the circuit arrangement 10 and a voltage source.
  • FIG. 2 shows the circuit diagram of an electrical energy storage 200.
  • the energy storage 200 comprises two circuit arrangements 10, which are constructed as shown in Figure 1 and are arranged in a housing, not shown.
  • the supercapacitors 12 of the two circuit arrangements 10 are all connected in series and connected on the one hand to an anode connection 14 and on the other hand to a cathode connection 16.
  • a power source can be connected again to the anode connection 14 and the cathode connection 16.
  • a bypass circuit 30 is connected in parallel to each supercapacitor 12.
  • Each circuit arrangement 10 has its own control unit 110.
  • Each control unit 110 is assigned two supercapacitors 12 and associated bypass circuits 30.
  • Each bypass circuit 30 is connected to the respective control unit 110 via two connections, with one connection being connected to an input 112 of the control unit 110 and the other connection being connected to an output 114 of the control unit 110, as in FIG.
  • the control units 110 are connected to one another via a light guide 117 with galvanic isolation. In this way, the control units 110 can exchange information, for example about the charging states of the individual supercapacitors 12.
  • the energy storage 200 further comprises a communication unit 210.
  • the communication unit 210 has several interfaces (not shown) by means of which communication with the communication unit 210 can be carried out from outside the energy storage 200.
  • the control units 110 are each connected to the communication unit 210 via a light guide 212, 214 with galvanic isolation.

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Abstract

Schaltungsanordnung (10) mit einem Superkondensator (12) und einer parallel zu dem Superkondensator (12) geschalteten Bypass-Schaltung (30), die in einem aktiven Zustand ein Aufladen des Superkondensators (12) verhindert oder begrenzt. Es ist ein von einer Steuereinheit (110) ansteuerbarer Schalter (100) vorgesehen, mittels dem die Bypass-Schaltung (30) in den aktiven Zustand versetzbar ist.

Description

SCHALTUNGSANORDNUNG
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, einen elektrischen Energiespeicher, die Verwendung einer Schaltungsanordnung als Energiespeicher und ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung.
Die Speicherung von Energie kann unter anderem durch chemische Umwandlung (bspw. bei Akkumulatoren) oder durch physikalische Prozesse (bspw. bei Kondensatoren) erfolgen.
Kondensatoren können nach ihrer Bauart unterschieden werden. So gibt es beispielsweise Keramikkondensatoren, Kunststoff-Folienkondensatoren, Metallpapierkondensatoren und Elektrolytkondensatoren. Diese Kondensatortypen haben in der Regel eine Kapazität im Bereich von Pikofarad (pF) bis etwa 1 Farad.
Eine Besonderheit unter den Kondensatoren stellen sogenannte Superkondensatoren dar. Superkondensatoren können eine Kapazität im Bereich von Kilofarad oder mehr haben. Die Kapazität von Superkondensatoren ergibt sich aus zwei unterschiedlichen technischen Effekten und kann demzufolge in Doppelschicht- und Pseudokapazität gegliedert werden. Während die Doppelschichtkapazität auf einer Ladungstrennung basiert, ist die Pseudokapazität das Ergebnis von Redoxreaktionen. Im Betrieb summieren sich die Doppelschicht- und die Pseudokapazität zur Gesamtkapazität des Superkondensators.
Eine Besonderheit von Superkondensatoren besteht in einer im Vergleich mit herkömmlichen Kondensatoren geringen Nennspannung von üblicherweise 2,4 bis 2,7 V. Zugleich sind Superkondensatoren gegenüber höheren Spannungen äußerst empfindlich. Schon eine geringe Überschreitung der Nennspannung beim Ladevorgang kann zu einer dauerhaften Schädigung des Superkondensators führen. Werden Superkondensatoren in elektronische Schaltungen eingebunden, ist es daher sinnvoll, sie vor höheren Spannungen zu schützen.
Da bei vielen Anwendungen eine höhere Spannung als 2,7 V gewünscht ist, werden Superkondensatoren häufig in Reihe geschaltet, wodurch sich die Nennspannungen addieren. Durch die Reihenschaltung kann es aber beim Ladevorgang vorkommen, dass die einzelnen Superkondensatoren unterschiedlich schnell geladen werden. Grund hierfür sind insbesondere Fertigungstoleranzen, aufgrund derer nominell identische Superkondensatoren tatsächlich unterschiedliche Kapazitäten aufweisen. Das daraus resultierende unterschiedliche Ladeverhalten kann dazu führen, dass einzelne Superkondensatoren die Nennspannung überschreiten und permanent beschädigt werden.
Zur Vermeidung einer Beschädigung von in Reihe geschalteten Superkondensatoren schlägt die WO 2018/237320 A1 eine Balancing-Schaltung vor, bei der jedem Superkondensator eine Bypass- Schaltung zugeordnet ist. Die Bypass-Schaltungen sind an ein Bussystem angeschlossen und bewirken im Falle ihrer Aktivierung einen Ladungsausgleich zwischen den in Reihe geschalteten Superkondensatoren. Die Aktivierung erfolgt über einen Taktgeber. Die Schaltung ist durch die Verwendung eines Bussystems und des Taktgebers komplex. Außerdem bewirkt der Taktgeber nur einen periodischen und keinen permanenten Ladungsausgleich. Somit besteht auch nur zeitweise ein Schutz für die Kondensatoren.
Die EP 1 274 105 B1 schlägt ebenfalls eine Bypass-Schaltung für Superkondensatoren vor. Die Bypass-Schaltung umfasst einen Transistor, einen Tiefpassfilter uns eine Detektoreinheit, die ein logisches Signal erzeugt, das an eine Ladeeinrichtung zum Laden des Superkondensators geliefert wird, wodurch der Ladestrom gesteuert wird, mittels dem der Superkondensator geladen wird. Aufgrund der Detektoreinheit und der Ansteuerung der Ladeeinrichtung ist diese Bypass-Schaltung ebenfalls sehr komplex.
Die DE 600 23 772 T2 offenbart eine Schaltungsanordnung mit einem Doppelschichtkondensator und einem parallel zu dem Doppelschichtkondensator geschalteten Nebenschlussregler sowie einem parallel zu dem Doppelschichtkondensator geschalteten NPN-Transistor. Ein Anschluss des Nebenschlussreglers ist mit der Basis des NPN-Transistors verbunden.
Die US 2020/0044459 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit denen die Batterien einer Batteriepackung vor Überladung geschützt werden sollen.
Es hat sich gezeigt, dass die bekannten Schaltungsanordnungen für Superkondensatoren unzureichend sind und es auch mit diesen Schaltungen zu Abweichungen beim Laden der Superkondensatoren kommen kann.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, den Schutz von Superkondensatoren während des Ladevorgangs zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gelöst.
Die Schaltungsanordnung weist zumindest einen Superkondensator und eine parallel zu dem Superkondensator geschaltete Bypass-Schaltung auf, die in einem aktiven Zustand ein Aufladen des Superkondensators verhindert oder begrenzt. Die Bypass-Schaltung befindet sich unterhalb einer vordefinierten Spannungsschwelle einer an dem Superkondensator anliegenden Kondensatorspannung in einem inaktiven Zustand und wird bei Überschreiten der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand versetzt. Die Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Schaltung einen von einer Steuereinheit ansteuerbaren Schalter umfasst, mittels dem die Bypass-Schaltung unabhängig von der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand versetzbar ist, insbesondere aus dem inaktiven Zustand in den aktiven Zustand versetzbar ist.
Befindet sich die Bypass-Schaltung bereits durch ein Überschreiten der vordefinierten Spannungsschwelle in dem aktiven Zustand, so wird sie streng genommen nicht durch ein (zusätzliches) Schalten des Schalters in den aktiven Zustand versetzt. Auch in diesem Fall ist aber der Schalter jedenfalls geeignet, die Bypass-Schaltung aus dem inaktiven Zustand in den aktiven Zustand zu versetzen.
Die Bypass-Schaltung ist vorgesehen, um den Superkondensator vor einer Überspannung zu schützen. Wird die Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt, so leitet sie bevorzugt Strom um den Superkondensator herum. Dieser Strom lädt den Superkondensator nicht weiter auf, sodass es nicht zu einer Überspannung kommt und der Superkondensator geschützt ist. Liegt an der Schaltungsanordnung keine äußere Spannung an, ist also keine Stromquelle an den Superkondensator angeschlossen, dann entlädt die Bypass-Schaltung in ihrem aktiven Zustand den Superkondensator. In jedem Fall wird durch eine Bypass-Schaltung in aktivem Zustand elektrische Energie in Wärme umgewandelt und geht „verloren“, wird also an die Umgebung abgegeben.
Das Auf- und Entladen von Superkondensatoren ausgelöst durch Herstellungstoleranzen und abweichende Degenerierung läuft nicht immer vollkommen identisch ab. Werden in Reihe geschaltete Superkondensatoren immer vollständig geladen, so machen sich diese Probleme kaum bemerkbar. Es wurde jedoch erkannt, dass es mit der Zeit zu immer größer werdenden Abweichungen zwischen den Ladezuständen mehrerer in Reihe geschalteter Superkondensatoren kommt, wenn die Superkondensatoren mehrfach unvollständig auf- und entladen werden. Durch die Erfindung wird daher eine Möglichkeit geschaffen, die Bypass-Schaltung unabhängig von der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand zu versetzen und auf diese Weise Abweichungen auszugleichen. Der Schalter weist einen offenen und einen geschlossenen Zustand auf. Im geschlossenen Zustand leitet der Schalter Strom, im offenen Zustand leitet der Schalter keinen Strom. Bevorzugt wird die Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt, wenn der Schalter geschlossen ist. Der Schalter ist bevorzugt ein T ransistor, wobei der geschlossene Zustand des Schalters vorliegt, wenn der Transistor durchgeschaltet ist. Alternativ können auch andere Schalter eingesetzt werden.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen sind mehrere Superkondensatoren in Reihe geschaltet, wobei jedem Superkondensator jeweils eine Bypass-Schaltung wie oben erwähnt parallel geschaltet ist und wobei jeder Schalter der Bypass-Schaltungen unabhängig von den anderen Schaltern ansteuerbar ist. Auf diese Weise können die Schalter sämtlicher Bypass-Schaltungen nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden und die Bypass-Schaltungen können je nach Bedarf in den aktiven Zustand versetzt werden.
Superkondensatoren gliedern sich, bedingt durch die Ausführung ihrer Elektroden, in drei unterschiedliche Kondensatorfamilien:
Doppelschichtkondensatoren besitzen Kohlenstoffelektroden oder deren Derivate mit einer sehr hohen statischen Doppelschichtkapazität. Der Anteil der faradayschen Pseudokapazität an der Gesamtkapazität ist nur gering.
Pseudokondensatoren besitzen Elektroden aus Metalloxiden oder aus leitfähigen Polymeren und haben einen sehr hohen Anteil faradayscher Pseudokapazität.
Hybridkondensatoren besitzen asymmetrische Elektroden, eine mit einer hohen Doppelschicht-, die zweite mit einer hohen Pseudokapazität.
Bei den Superkondensatoren der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung handelt es sich besonders bevorzugt um Lithium-Titanat-Oxid-Superkondensatoren (LTO-Superkondensatoren). LTO-Superkondensatoren gehören zu den Hybridkondensatoren. Bei LTO-Superkondensatoren ist die negative Grafit-Elektrode durch eine gesinterte Elektrode aus einem Titan-Spinell (Li4Ti50i2) ersetzt. Die Lithiumtitanat-Elektrode weist mit einem Faktor 30 eine wesentlich höhere wirksame Oberfläche auf als eine Grafit-Elektrode. Aus diesem Grund können sehr hohe Lade- und Entladeströme im Bereich größer 10C realisiert werden. Somit liegt die Leistungsdichte bei rund 1.200- 3.500W/kg (2.700-7.500W/Liter). Die hohen Lade- und Entladeströme können zu den oben angegebenen Abweichungen bei unvollständigen Ladezyklen führen. Daher ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bei der Anwendung von LTO-Superkondensatoren besonders vorteilhaft.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist die Steuereinheit derart mit den Superkondensatoren verbunden, dass sie die an dem jeweiligen Superkondensator anliegende Kondensatorspannung und/oder das an einem Pluspol des jeweiligen Superkondensators anliegende Kondensatorpotential er- fassen kann. Die Kondensatorspannung bzw. das Kondensatorpotential geben Aufschluss darüber, wie groß die Abweichung des Ladezustandes mehrerer Superkondensatoren ist. Die Steuereinheit kann auf diese Weise ermitteln, welche Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt werden soll. Bevorzugt ist der Pluspol jedes Superkondensators mit jeweils einem eigenen Eingang der Steuereinheit verbunden, wodurch die Steuereinheit ein Eingangssignal in Form eines Potentials in Abhängigkeit von dem tatsächlich vorhandenen Kondensatorpotential erhält. Durch einen Vergleich der Potentiale kann die Steuereinheit die Kondensatorspannung des jeweiligen Kondensators ermitteln und daraus die Abweichungen im Ladezustand ermitteln. Alternativ kann auch die Kondensatorspannung direkt durch eine Messeinheit erfasst und als Information an die Steuereinheit übermittelt werden. Die Messeinheit ist hierzu mit dem Superkondensator und der Steuereinheit verbunden.
Bei in Reihe geschalteten Superkondensatoren addiert sich das Kondensatorpotential mit jedem hinzukommenden Superkondensator. Es ist wünschenswert, die Eingänge der Steuereinheit vor zu hohen Potentialen zu schützen. Bevorzugt ist daher zwischen jedem Pluspol und dem dazugehörigen Eingang der Steuereinheit jeweils eine Schutzschaltung mit einem Spannungsteiler angeordnet, wobei der Spannungsteiler an einem Ende mit dem Pluspol verbunden ist und zwei in Reihe geschaltete Widerstände aufweist, zwischen denen ein Knoten angeordnet ist und wobei der Eingang der Steuereinheit mit dem Knoten verbunden ist. Dadurch ist das Potential am Eingang der Steuereinheit geringer ist als das Kondensatorpotential des jeweiligen Superkondensators. Das andere Ende des Spannungsteilers liegt bevorzugt auf einem Nullpotential (UBO) der Schaltungsanordnung. Dieses Nullpotential muss nicht dem Erdpotential entsprechen.
Ein Anschluss der Steuereinheit liegt bevorzugt ebenfalls auf dem Nullpotential der Schaltungsanordnung.
Wie bereits erwähnt, nimmt das Potential entlang der in Reihe geschalteten Superkondensatoren zu. Es ist daher von Vorteil, wenn die Widerstände an das nominell maximale Kondensatorpotential des zugehörigen Superkondensators angepasst sind. Das nominell maximale Kondensatorpotential ergibt sich aus den Nennspannungen der in Reihe geschalteten Superkondensatoren sowie der Position des jeweiligen Superkondensators in der Reihenschaltung ausgehend von der Kathode. Werden beispielsweise drei Superkondensatoren mit einer Nennspannung von 2,7 V in Reihe geschaltet, so beträgt ausgehend von der Anode das nominell maximale Kondensatorpotential bei dem ersten Superkondensator 2,7 V, bei dem zweiten Superkondensator 5,4 V und bei dem dritten Superkondensator 8,1 V.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Widerstände des Spannungsteilers derart gewählt sind, dass das jeweilig an dem Eingang der Steuereinheit anliegende Potential unter einem vorbestimmten Wert liegt, der bevorzugt bei 5 V liegt. Der vorbestimmte Wert ist besonders bevorzugt für alle Eingänge identisch. Mit anderen Worten sind die Spannungsteiler der Bypass-Schaltungen benachbarter Superkondensatoren bevorzugt unterschiedlich. Die Widerstände jedes Spannungsteilers sind insbesondere derart gewählt, dass bei dem nominell maximalen Kondensatorpotential des zugehörigen Superkondensators der vorbestimmte Wert nicht überschritten wird.
Die Spannungsschwelle ist bevorzugt durch die Bypass-Schaltung selbst, insbesondere durch ihre elektronischen Bauteile, definiert. Sie wird also insbesondere nicht von außerhalb der Bypass- Schaltung vorgegeben, beeinflusst oder gar gesteuert.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen weist die Bypass-Schaltung zumindest einen als schaltendes Element arbeitenden, parallel zum Superkondensator geschalteten Bypass-Transistor und einen parallel zum Superkondensator geschalteten Querregler auf, der bei Erreichen seiner Schaltschwelle den Bypass-Transistor durchschaltet (leitend wird) und dadurch die Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt, in der die Bypass-Schaltung Strom um den Superkondensator herum leitet. Unter einem Querregler kann allgemein ein Bauteil verstanden werden, welches parallel zum Superkondensator geschaltet ist und zumindest in aktivem Zustand immer so viel Strom aufnimmt, dass die Spannung an dem Superkondensator konstant gehalten wird. In der Bypass-Schaltung wirkt der Querregler als Schwellenwertschalter. Ein Schwellenwertschalter ist allgemein ein elektronisches oder elektrisches Bauelement, das die Funktion eines Sensors mit einer Schaltfunktion kombiniert. Der Schaltvorgang wird ausgelöst, wenn die vom Sensor „gemessene“ physikalische Größe einen voreingestellten Grenzwert (den Schwellenwert) überschreitet. Vorliegend handelt es sich bei der gemessenen Größe um eine Größe der Schaltungsanordnung, nämlich die an dem Superkondensator anliegende Kondensatorspannung. Der Querregler ist bevorzugt schaltbar und weist zu diesem Zweck einen Steuereingang auf. Als Querregler kann beispielweise ein TL431 (schaltbar) eingesetzt werden. Der Querregler kann deshalb auch als Parallelregler, Shuntregler oder Schwellenwertschalter bezeichnet werden.
Bevorzugt ist ein Widerstand zu dem Bypass-Transistor in Reihe geschaltet und der Widerstand und der Bypass-Transistor sind gemeinsam parallel zu dem Superkondensator geschaltet. Dadurch wird verhindert, dass es im Falle einer Aktivierung der Bypass-Schaltung zu einem Kurzschluss kommt.
Der Bypass-Transistor ist bevorzugt ein Bipolartransistor. Auch ein MOSFET (Metall-Oxid-Halblei- ter-Feldeffekttransistor) kann verwendet werden. Jedenfalls ist es bevorzugt, dass der Bypass- Transistor schon bei geringen Spannungen, insbesondere bei < 2,7 V, einen ausreichend hohen Strom, insbesondere > 2 A, zwischen Kollektor und Emitter liefert. Auf diese Weise bietet der Bypass-Transistor eine gute Schutzfunktion für den Superkondensator. Die Schaltschwelle ist eine intrinsische Größe des Querreglers. Weist der Querregler einen Steuereingang auf, so muss die Schaltschwelle an dem Steuereingang erreicht werden, damit der Querregler schaltet. Bei einem TL431 beträgt die Schaltschwelle 1 ,5 V bis 2,5 V.
Beim Ladevorgang wird zunächst der Superkondensator wie üblich durch einen Ladestrom geladen. Die Bypass-Schaltung befindet sich so lange in einem passiven (inaktiven) Zustand, wie die Schaltschwelle des Querreglers nicht erreicht wird. Bei Erreichen der Schaltschwelle wird der wenigstens eine Bypass-Transistor von dem Querregler angesteuert. Die Bypass-Schaltung befindet sich dann in einem aktiven Zustand. Die Bypass-Schaltung leitet in diesem Zustand Strom um den Superkondensator herum. Dieser Strom lädt den Superkondensator nicht weiter auf, sodass es zumindest dann nicht zu einer Überspannung kommt, wenn der Ladestrom des Superkondensators kleiner oder gleich dem durch die Bypass-Schaltung um den Superkondensator herum geleiteten Stroms ist. Jedenfalls wird die den Superkondensator ladenden Strommenge durch die Bypass- Schaltung in aktivem Zustand reduziert und der Superkondensator auf diese Weise geschützt.
Der Querregler definiert den Schaltpunkt für den Bypass-Transistor bevorzugt, indem ein Ausgang des Querreglers mit einem Steuereingang jedes Bypass-Transistors verbunden ist. Besonders bevorzugt ist dabei zwischen dem Ausgang (Anodenanschluss) des Querreglers und dem Eingang jedes Bypass-Transistors ein Widerstand angeordnet. Die Verwendung eines Widerstands zwischen Querregler und Bypass-Transistor dient einem Toleranzausgleich und einer Strombegrenzung des Maximalstroms des Basisanschlusses. Durch die Widerstände wird sichergestellt, dass die tatsächlichen Schaltzeitpunkte der Bypass-Transistoren, die toleranzbedingt immer abweichen, nicht zu weit auseinander liegen.
Die Verstärkungswirkung von Transistoren ist nicht binär, sondern folgt einer Kennlinie und ist von der Höhe der Spannung am Kondensator (Basis-Emitter-Spannung) und/oder eines Steuersignals abhängig. Eine höhere Basis-Emitter-Spannung erhöht die Verstärkung, das heißt der Transistor wird weiter „aufgesteuert“. Bei einem geringen Steuersignal ist die Verstärkungswirkung eines Transistors geringer. Einfache Kondensatoren haben im Vergleich zu Superkondensatoren höhere Nominalspannungen. Diese höheren Spannungen stehen dann auch zum Ansteuern von Transistoren in einer Bypass-Schaltung zur Verfügung. In Folge der höheren Spannungen steuern die Transistoren der Bypass-Schaltung stärker durch und leiten sofort einen höheren Strom um den Kondensator herum und schützen ihn auf diese Weise sehr effektiv. Bei einfachen Kondensatoren erzielen Bypass-Schaltungen dadurch eine ausreichende Bypass-Wirkung.
Bei Superkondensatoren ist das aufgrund ihrer geringen Nennspannung nicht ohne weiteres der Fall. Es hat sich gezeigt, dass die geringe Nennspannung von Superkondensatoren zur Folge hat, dass das Steuersignal die Transistoren nicht optimal schaltet und somit nur eine reduzierte Stromleitung, d. h. kein optimaler Schutz für die Superkondensatoren, gegeben ist.
Durch die Anordnung von mindestens zwei Bypass-Schaltungen parallel zu dem Superkondensator kann insgesamt mehr Strom um den Superkondensator herum geleitet werden. Die Bypass- Schaltungen sind dabei unabhängig voneinander. Es können daher unterschiedliche Schaltpunkte für den jeweilig angesteuerten Bypass-Transistor vorgesehen werden. Auf diese Weise lässt sich der Schutz des Superkondensators beispielsweise auch mehrstufig in Abhängigkeit der anliegenden Spannung zuschalten.
Eine weitere Verbesserung der Schutzwirkung kann erreicht werden, indem jede Bypass-Schaltung zwei als schaltende Elemente arbeitende, jeweils parallel zum Superkondensator geschaltete Bypass-Transistoren umfasst, wobei die Schaltschwelle des Querreglers den Schaltpunkt für die beiden parallel geschalteten Bypass-Transistoren definiert. Die Bypass-Transistoren sind bevorzugt nominell identisch. Die zwei Bypass-Transistoren werden in diesem Fall gemeinsam geschaltet und ermöglichen es, dass ein höherer Strom um den Superkondensator herum geleitet wird.
Die Bypass-Schaltung weist bevorzugt ferner einen parallel zum Superkondensator geschalteten Anzeigetransistor auf. Der Anzeigetransistor wird ebenfalls von dem Querregler angesteuert, sobald dieser seine Schaltschwelle erreicht. Auf diese Weise definiert die Schaltschwelle des Querreglers den Schaltpunkt für den Anzeigetransistor. In der Laststrecke des Anzeigetransistors sind ferner eine Leuchtdiode sowie ein Widerstand in Reihe geschaltet. Zwischen dem Reglerknoten und der Basis des Anzeigetransistors ist ein Widerstand zum Toleranzausgleich und einer Strombegrenzung des Maximalstroms des Basisanschlusses angeordnet. Der Anzeigetransistor kann sich aufgrund der weiteren Verschaltung mit der Leuchtdiode von dem Bypass-Transistor unterscheiden. Der Widerstand zwischen dem Reglerknoten und der Basis des Anzeigetransistors ist bevorzugt derart gewählt, dass der Anzeigetransistor zur gleichen Zeit schaltet wie die Bypass- Transistoren. Erreicht der Querregler seine Schaltschwelle, so schaltet er den Anzeigetransistor, woraufhin die Leuchtdiode leuchtet und damit anzeigt, dass sich die Bypass-Schaltung in ihrem aktiven Zustand befindet.
Die Bypass-Schaltung umfasst bevorzugt einen parallel zum Superkondensator geschalteten Spannungsteiler, dessen Spannungsteilerknoten mit einem Steuereingang des Querreglers verbunden ist, wobei durch den Spannungsteiler definiert ist, dass der Querregler bei Erreichen der vordefinierten Spannungsschwelle an dem Superkondensator seine Schaltschwelle erreicht. Der Spannungsteiler weist bevorzugt zwei in Reihe geschaltete Widerstände auf, zwischen denen der Spannungsteilerknoten angeordnet ist. Alternativ kann mindestens einer der beiden Widerstände durch eine variable Widerstandsanordnung ausgebildet werden, mittels der das Knotenpotential auswählbar ist. Mit anderen Worten kann mittels der variablen Widerstandsanordnung ausgewählt werden, bei welcher Kondensatorspannung der Querregler seine Schaltschwelle erreicht. Auf diese Weise können unterschiedliche Bypass-Schaltungen, beispielsweise für verschiedene Superkondensatoren, mit den gleichen Bauteilen realisiert werden, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden können. Das Knotenpotential wird dann je nachdem, welcher Schaltpunkt gewünscht ist oder welche Kapazität der parallelgeschaltete Superkondensator hat, beeinflusst.
Die variable Widerstandsanordnung weist bevorzugt mehrere parallele Teilstränge mit jeweils einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand auf und umfasst ein Auswahlmittel, wobei mittels des Auswahlmittels genau ein Teilstrang als leitender Teilstrang auswählbar ist oder mehrere Teilstränge als leitende Teilstränge auswählbar sind. Das Auswahlmittel ermöglicht es, auf einfache Weise zwischen den Teilsträngen genau den oder die Teilstrang/Teilstränge auszuwählen, der/die für den einzusetzenden Superkondensator der richtige ist/die richtigen sind. Die Auswahl kann durch eine feste Kontaktierung, beispielsweise durch Verlöten, oder eine variable Kontaktierung, beispielsweise mittels eines Wechselschalters, erfolgen. Werden für einen Superkondensator zwei Bypass-Schaltungen eingesetzt und sollen deren Querregler bei unterschiedlichen Kondensatorspannungen schalten, so kann bei Verwendung identischer Komponenten in einer Bypass-Schaltung ein erster Teilstrang und in der anderen Bypass-Schaltung ein zweiter Teilstrang ausgewählt werden. Dadurch sind die Knotenpotentiale der zwei Spannungsteiler immer unterschiedlich und in Folge weichen auch die Schaltzeitpunkte der Querregler voneinander ab. Dadurch kann der unterschiedliche Schaltzeitpunkt der beiden Bypass-Schaltungen auf einfache Weise realisiert werden.
Alternativ zu einer Mehrzahl von Teilsträngen umfasst die variable Widerstandsanordnung bevorzugt ein Potentiometer. Ein Potentiometer ermöglicht eine stufenlose Einstellung des Widerstandes und damit schlussendlich des Schaltzeitpunktes. Eine Schaltungsanordnung mit Potentiometer ist damit flexibler an die Bedürfnisse anpassbar.
Der Schalter weist wie beschrieben einen offenen und einen geschlossenen Zustand auf und schaltet bevorzugt im geschlossenen Zustand den Bypass-Transistor durch. Der Schalter und der Querregler sind besonders bevorzugt parallel geschaltet und können den Bypass-Transistor unabhängig voneinander durchschalten. Hat der Querregler den Bypass-Transistor bereits durchgeschaltet, so bewirkt eine Betätigung des Schalters nichts. Der Schalter ist dennoch geeignet, den Bypass-Transistor unabhängig von der Spannungsschwelle durchzuschalten.
Die Bypass-Schaltung umfasst bevorzugt einen Optokoppler mit einer Sendeseite und einer Empfangsseite, wobei die Sendeseite mit der Steuereinheit verbunden ist und wobei die Empfangsseite den Schalter ausbildet. Die Sendeseite und die Empfangsseite eines Optokopplers können miteinander kommunizieren, also insbesondere Signale übertragen, sind jedoch galvanisch voneinander getrennt. Aufgrund der unterschiedlichen Potentiale der verschiedenen Superkondensatoren ist es von Vorteil, ein Bauteil mit einer galvanischen Trennung zwischen der Steuereinheit und dem Schalter vorzusehen. Es können auch andere Bauteile an Stelle des Optokopplers eingesetzt werden, die eine galvanische Trennung bewirken, beispielsweise ein Trenntrafo oder ein Relais.
Die Sendeseite des Optokopplers weist bevorzugt eine Leuchtdiode auf und die Empfangsseite einen Fototransistor. Die Leuchtdiode wird von der Steuereinheit der Schaltungsanordnung angesteuert. Hierzu ist die Leuchtdiode mit einem Ausgang der Steuereinheit verbunden. Wird die Leuchtdiode von der Steuereinheit aktiviert („HIGH Pegel Triggerung“), schaltet sie den Fototransistor durch, wodurch der Schalter leitend, also in den geschlossenen Zustand versetzt wird. Wird die Leuchtdiode deaktiviert, so wird der Schalter geöffnet. Mit anderen Worten ist der Schalter in Abhängigkeit von einem Signal der Sendeseite in den offenen und den geschlossenen Zustand schaltbar.
Die Steuereinheit umfasst bevorzugt mindestens einen Multiplexer, insbesondere einen 74HC4067. Besonders bevorzugt umfasst die Steuereinheit einen Multiplexer, welcher die Eingänge für die Eingangssignale ausbildet und einen Multiplexer, welcher die Ausgänge für die Schalter ausbildet. Die Multiplexer sind bevorzugt mit einem zentralen Steuerorgan der Steuereinheit verbunden, beispielsweise einem Arduino Nano.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen sind mehrere Steuereinheiten vorgesehen, wobei jede Steuereinheit mit wenigstens einem Schalter einer Bypass-Schaltung verbunden ist und wobei benachbarte Steuereinheiten unter galvanischer Trennung miteinander verbunden sind. Die Steuereinheiten können durch ihre Verbindung miteinander kommunizieren und insbesondere Informationen zu den Ladezuständen, also den Kondensatorspannungen einzelner, ihnen zugeordneter Superkondensatoren austauschen. Auf diese Weise entstehen mehrere Baugruppen aus jeweils einer Steuereinheit und mehreren zugehörigen Superkondensatoren mit jeweils zugehöriger Bypass-Schaltung. Je nach Anwendungsbereich können solche Baugruppen auf verschiedene Arten miteinander verschaltet werden, also insbesondere in Reihe und/oder parallel. Auf diese Weise wird ein Energiespeicher bereitgestellt, der genau auf die gewünschte Anwendung zugeschnitten ist.
Die galvanisch getrennte Verbindung der Steuereinheiten erfolgt insbesondere durch eine optische Verbindung, beispielsweise einen Lichtwellenleiter. Besonders bevorzugt sind jeder Steuereinheit mehrere Schalter zugeordnet, wobei die Steuereinheit die ihr zugeordneten Schalter unabhängig voneinander ansteuern kann. Jede Steuereinheit ist bei vorteilhaften Weiterbildungen mit einem eigenen Display der Schaltungsanordnung verbunden. Auf dem Display können insbesondere die Eingangssignale der Steuereinheit, die Kondensatorspannungen der der Steuereinheit zugehörigen Superkondensatoren, die aktiven Bypass-Schaltungen, die Zustände sämtlicher Bypass-Schaltungen und/oder weitere Informationen visualisiert oder als Zahlenwert angezeigt werden.
Die Schaltungsanordnung kann einen oder mehrere eigene Temperatursensoren umfassen, der mit der Steuereinheit verbunden ist. Insbesondere ist jedem Superkondensator und/oder jeder Bypass-Schaltung ein Temperatursensor zugeordnet. Die Steuereinheit kann in Abhängigkeit von dem Signal der Temperatursensoren die Bypass-Schaltung(en) in den aktiven Zustand versetzen.
Superkondensatoren unterliegen wie beschrieben herstellungsbedingten Toleranzen (Fertigungstoleranzen). Sind in einer Schaltung mehrere Superkondensatoren in Reihe geschaltet, so werden die einzelnen Superkondensatoren unterschiedlich schnell geladen. Dieser Effekt nimmt mit der Differenz der tatsächlichen Kapazität der einzelnen Kondensatoren zu. Die Erfinder haben erkannt, dass sich dieser Effekt durch ein Parallelschalten mehrerer Kondensatoren verringern lässt, wodurch die einzelnen Superkondensatoren besser geschützt werden. Bei vorteilhaften Weiterbildungen sind daher zumindest zwei parallel geschaltete, Superkondensatoren vorgesehen, die gemeinsam eine Superkondensatorgruppe bilden. Mit anderen Worten: es werden mehrere Superkondensatoren parallel geschaltet und parallel dazu ist die Bypass-Schaltung vorgesehen. Das Parallelschalten mehrerer Kondensatoren führt statistisch dazu, dass starke Abweichungen der Superkondensatorgruppe von ihrer Nennkapazität weniger wahrscheinlich werden. Besonders bevorzugt sind die parallel geschalteten Superkondensatoren nominell baugleich. Baugleiche Bauteile haben die gleichen Toleranzgrenzen, wodurch der statistische Effekt besonders wirksam ist. Die obige Beschreibung bezogen auf in Reihe geschaltete Superkondensatoren bezieht sich in gleicher weise auch auf in Reihe geschaltete Superkondensatorengruppen.
Es kann gewünscht sein, den Ladevorgang zu unterbrechen. Das ist beispielsweise der Fall, wenn alle Superkondensatoren der Schaltungsanordnung vollständig geladen sind. Dieser Zustand kann wie beschrieben anhand der Eingangssignale durch die Steuereinheit ermittelt werden. Die Schaltungsanordnung umfasst bevorzugt ein mit der Steuereinheit verbundenes Schaltorgan, welches eingerichtet ist, die Verbindung zwischen einem Anschluss für eine Stromquelle und dem Superkondensator trennen und schließen zu können. Das Schaltorgan ist bevorzugt ein Relais, das mit den Superkondensatoren in Reihe geschaltet ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch einen elektrischen Energiespeicher mit einem Gehäuse und mindestens einer in dem Gehäuse angeordneten Schaltungsanordnung nach der obigen Be- Schreibung gelöst. Die in Reihe geschalteten Superkondensatoren bieten eine höhere Nennspannung als es mit einem einzelnen Superkondensator möglich ist. Gleichzeitig werden Abweichungen der Ladezustände der Superkondensatoren durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vermieden.
Besonders bevorzugt werden mehrere Schaltungsanordnungen in Reihe geschaltet, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Superkondensatoren aufweisen. Der Energiespeicher stellt dann vorteilhafterweise das Nullpotential für die erste Schaltungsanordnung in der Reihe zur Verfügung, beispielsweise durch eine Verbindung zur Erde. Alle weiteren Schaltungsanordnungen haben als Nullpotential das jeweils höhere Endpotential der in der Reihe vorangehenden Schaltungsanordnung. In einem Energiespeicher mit einer Nennspannung von beispielsweise 75 V und drei identischen Schaltungsanordnungen beträgt das Nullpotential der ersten Schaltungsanordnung 0 V, das Nullpotential der zweiten Schaltungsanordnung 25 V und das Nullpotential der dritten Schaltungsanordnung 50 V.
In dem Gehäuse kann mindestens ein Temperatursensor angeordnet sein, der die Temperatur in dem Gehäuse erfasst. Der Temperatursensor ist mit der Steuereinheit verbunden.
Das Gehäuse ist bevorzugt geerdet.
Der Energiespeicher umfasst bevorzugt mindestens ein mit der Steuereinheit verbundenes, insbesondere galvanisch getrennt verbundenes Display, auf dem beispielsweise die Temperatur in dem Gehäuse, die Eingangssignale der Steuereinheiten, die Kondensatorspannungen der Superkondensatoren, die aktiven Bypass-Schaltungen, die Zustände sämtlicher der Steuereinheit zugehörigen Bypass-Schaltungen, und/oder weitere Informationen angezeigt werden.
Optional kann der Energiespeicher eine mit der Steuereinheit verbundene Kommunikationseinheit umfassen. Die Kommunikationseinheit dient als Datenlogger und zur Kommunikation mit anderen Geräten. Die Kommunikationseinheit weist bevorzugt mindestens eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle, beispielsweise WiFi auf. Auch eine Fernwartung ist auf diese Weise möglich. Die Kommunikationseinheit ist bevorzugt galvanisch von der Steuereinheit getrennt.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Verwendung einer Schaltungsanordnung nach der obigen Beschreibung als Energiespeicher in einer Photovoltaikanlage, in einem Fahrzeug mit alternativem Antrieb, in einer Ladestation für Elektrofahrzeuge, in einem Pufferspeicher einer Windkraftanlage oder in einem mobilen Speicher. Insbesondere bei einer Photovoltaikanlage kommt es im Winter regelmäßig zu unvollständigen Ladevorgängen, bei denen es ohne die erfindungsge- mäße Schaltungsanordnung mit der Zeit zu Abweichungen der Ladezustände von in Reihe geschalteten Superkondensatoren kommen würde. Diese Abweichungen werden durch die Erfindung vermieden. Auch kann es vorkommen, dass die Programmierung des Wechselrichters der Photovoltaikanlage eine Abschaltung vornimmt, bevor die Superkondensatoren die Spannungsschwelle erreichen. In diesem Fall werden die Superkondensatoren niemals so voll geladen, dass die Spannungsschwelle erreicht und die Bypass-Schaltungen in den aktiven Zustand geschaltet werden. Es kommt daher selbst bei einem vermeintlichen Vollladen nicht automatisch zu einem Ladungsausgleich durch die Bypass-Schaltungen. Besonders in solchen Fällen ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung von Vorteil, da sie auch unterhalb der Spannungsschwelle für einen Ausgleich der Ladungszustände sorgen kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung nach der obigen Beschreibung gelöst. Bei dem Verfahren steuert die Steuereinheit den Schalter der Bypass-Schaltung derart an, dass die Bypass-Schaltung unabhängig von der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand versetzt wird.
Die Steuereinheit steuert die Schalter mehrerer Bypass-Schaltungen bevorzugt in Abhängigkeit von den an den Eingängen der Steuereinheit anliegenden Potentialen an. Die Potentiale geben, wie oben beschrieben, Aufschluss darüber, welche Kondensatorspannung an jedem Superkondensator anliegt und sind daher als Ausgangspunkt für das Ansteuern der Schalter besonders geeignet.
Die Steuereinheit vergleicht bevorzugt die an den Eingängen der Steuereinheit anliegenden Potentiale mehrerer Bypass-Schaltungen miteinander, steuert in Abhängigkeit des Vergleichs die Schalter ausgewählter Bypass-Schaltungen an und versetzt dadurch die ausgewählten Bypass- Schaltungen in den aktiven Zustand. Vorteilhafterweise rechnet die Steuereinheit zunächst die an den Eingängen der Steuereinheit anliegenden Potentiale mehrerer Bypass-Schaltungen mittels eines durch den jeweiligen Spannungsteiler vorgegebenen Faktors in Vergleichswerte um, vergleicht anschließend die Vergleichswerte der Bypass-Schaltungen miteinander, steuert in Abhängigkeit des Vergleichs die Schalter ausgewählter Bypass-Schaltungen an und versetzt dadurch die ausgewählten Bypass-Schaltungen in den aktiven Zustand. Die Werte und Anordnung der Widerstände des Spannungsteilers sind bekannt. Es ist daher möglich, ein an einem bestimmten Eingang der Steuereinheit anliegendes Potential in das Kondensatorpotential, welches zuvor durch den Spannungsteiler reduziert wurde, umzurechnen. Die Kondensatorspannung ergibt sich dann als Differenz der Kondensatorpotentiale zweier benachbarter Superkondensatoren. So können die Kondensatorspannungen jedes Superkondensators als Vergleichswert ermittelt und anschließend miteinander verglichen werden. Besonders bevorzugt wird durch den Vergleich ermittelt, welcher Superkondensator die höchste Ladung (Kondensatorspannung) aufweist und nur die diesem Superkondensator zugehörige Bypass-Schaltung wird aktiviert. Auf diese Weise wird nur der Aufladevorgang eines einzigen Superkondensators aufgehalten und alle weiteren Superkondensatoren können „aufholen“. Dadurch geht vergleichsweise wenig elektrische Energie als Wärme verloren. Falls zwei oder mehr Superkondensatoren die gleiche Kondensatorspannung aufweisen, wird bevorzugt die Bypass-Schaltung des ausgehend von der Anode ersten Superkondensators in den aktiven Zustand versetzt.
Alternativ kann durch den Vergleich ermittelt werden, welche Superkondensatoren eine höhere Kondensatorspannung aufweisen als mindestens ein anderer Superkondensator der gleichen Reihe und die Bypass-Schaltungen der Superkondensatoren mit höheren Kondensatorspannungen werden dann in den aktiven Zustand versetzt. In diesem Fall würden alle Superkondensatoren bis auf einen nicht mehr geladen.
Ob eine Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt wird, kann von einer oder mehreren Bedingungen abhängen. Beispielsweise kann eine Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt werden, sobald der ihr zugehörige Superkondensator eine höhere Kondensatorspannung aufweist als mindestens ein weiterer Superkondensator der gleichen Reihe. Alternativ kann erst ab einer gewissen Differenz der Kondensatorspannungen und/oder einer Differenz zu einer bestimmten Anzahl von Superkondensatoren der gleichen Reihe die Bypass-Schaltung in den aktiven Zustand versetzt werden. Die Differenz beträgt bevorzugt unter 10% der Nennspannung und/oder zwischen 0,02 V und 0,2 V.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, eine (höhere) Differenzgrenze für die Kondensatorspannungen festzulegen, bei der die Steuereinheit einen Fehlerfall feststellt und beispielsweise eine Ausgabe in Form eines Alarmsignals, beispielsweise eine rote LED oder ein akustisches Warnsignal, bewirkt. Auch ein automatischer, drahtloser Versand einer Nachricht (bspw. Email, SMS oder Push-Nachricht) an einen vordefinierten Empfänger (bspw. Servicetechnik, Eigentümer, etc.) ist möglich. Eine hohe Differenz zwischen zwei oder mehr Superkondensatoren kann durch die Bypass-Schaltungen mitunter nicht mehr ausgeglichen werden. In solchen Fällen kann die Steuereinheit ferner eine Notfall-Abschaltung initiieren, beispielsweise mittels des Relais, wodurch das Laden sämtlicher Superkondensatoren gestoppt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft dargestellt und erläutert. Es zeigt dabei
Figur 1 einen Schaltplan einer Schaltungsanordnung Figur 2 einen Schaltplan einer elektrischen Energiespeichers.
Die in der Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung 10 umfasst zwei Superkondensatoren 12, die über einen Anodenanschluss 14 und einen Kathodenanschluss 16 an eine Stromquelle (nicht dargestellt) und/oder einen Verbraucher (nicht dargestellt) angeschlossen werden können. Wird eine Stromquelle angeschlossen, so werden die Superkondensatoren 12 aufgeladen, wird ein Verbraucher angeschlossen, so werden die Superkondensatoren 12 entladen. Das Auf- und Entladen erfolgt toleranzbedingt nicht vollkommen identisch, sodass es im Laufe der Zeit und insbesondere bei mehrfachem, unvollständigem Auf- und Entladen zu Abweichungen zwischen den Ladezuständen der beiden Superkondensatoren 12 kommen kann.
Jeder Superkondensator 12 weist einen Pluspol 17 und einen Minuspol 18 auf. Das Potential an dem Pluspol 17 ist höher und wird auch als Kondensatorpotential bezeichnet. Die an einem der Superkondensatoren 12 anliegende Spannung, also die Potentialdifferenz zwischen Pluspol 17 und Minuspol 18, wird als die jeweilige Kondensatorspannung bezeichnet. Die Superkondensatoren 12 sind jeweils auf eine Nennspannung ausgelegt. Bei der gezeigten Ausführungsform beträgt diese Nennspannung 2,7 V. Die Nennspannung wird erreicht, wenn der jeweilige Superkondensator vollständig geladen ist. Durch die Reihenschaltung weist ausgehend von dem Kathodenanschluss 16 der erste Superkondensator 12 an seinem Pluspol 17 ein maximales Kondensatorpotential von 2,7 V auf. Der nachfolgende, zweite Superkondensator 12 weist hingegen an seinem Pluspol 17 ein maximales Kondensatorpotential von 2*2,7 V = 5,4 V auf.
Parallel zu dem Superkondensator 12 ist eine Bypass-Schaltung 30 geschaltet. Die Bypass-Schaltung 30 umfasst eine Mehrzahl von Strängen, die jeweils parallel zu dem Superkondensator 12 geschaltet sind: zwei Bypass-Stränge 40, einen Anzeigestrang 50, einen Reglerstrang 60 und einen Spannungsteilerstrang 70. Die Stränge werden im Folgenden näher erläutert.
Die Bypass-Stränge 40 sind baugleich und jeweils parallel zu dem Superkondensator 12 geschaltet. Daher wird nur ein Bypass-Strang 40 beschrieben. Der Bypass-Strang 40 umfasst die Laststrecke eines Bypass-Transistors 42, wobei die Laststrecke in Reihe mit einem ersten Widerstand 44 geschaltet ist. Bei dem Bypass-Transistor 42 handelt es sich um einen pnp-Bipolartransistor.
Der Reglerstrang 60 umfasst die Laststrecke eines Querreglers 62, wobei die Laststrecke mit einem zweiten Widerstand 64 in Reihe geschaltet ist. Bei dem Querregler 62 handelt es sich um einen TL431 . Es handelt sich hierbei um einen steuerbaren Querregler 62 mit drei Anschlüssen, einem Anodenanschluss, einem Kathodenanschluss und einem Referenzanschluss. Die Laststrecke verläuft zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss. Der Kathodenanschluss des Querreglers 62 ist mit dem Minuspol 18 des Superkondensators 12 verbunden. Zwischen dem Anodenanschluss des Querreglers 62 und dem zweiten Widerstand 64 befindet sich ein Reglerknoten 63, der mit der Basis beider Bypass-Transistoren 42 verbunden ist. Zwischen dem Reglerknoten 63 und der Basis ist jeweils ein dritter Widerstand 46 zum Toleranzausgleich angeordnet. Liegt zwischen dem Referenzanschluss und dem Anodenanschluss des Querreglers 62 eine Spannung unterhalb dessen Schaltschwelle an, sperrt der Querregler 62. Die Basis und der Emitter beider Bypass-Transistoren 42 liegen dann beide auf dem Potential des Pluspols 17. Es fließt somit kein Strom auf der Basis-Emitter-Strecke, sodass die Bypass-Transistoren nicht durchgeschaltet sind. Liegt eine Stromquelle an dem Anodenanschluss 14 und dem Kathodenanschluss 16 an, so wird der Superkondensator 12 geladen. Unterhalb einer durch die Schaltschwelle des Querreglers 62 vordefinierten Spannungsschwelle der an dem Superkondensator 12 anliegenden Kondensatorspannung befindet sich die Bypass-Schaltung 30 somit in einem inaktiven Zustand.
Der Spannungsteilerstrang 70 weist einen Spannungsteiler 72 auf. Der Spannungsteiler 72 umfasst zwei in Reihe geschaltete Widerstände, einen fünften Widerstand 73 und einen sechsten Widerstand 74. Zwischen dem fünften Widerstand 73 und dem sechsten Widerstand 74 ist ein Spannungsteilerknoten 75 angeordnet, der mit dem Referenzanschluss, also dem Steuereingang des Querreglers 62 verbunden ist. Das Verhältnis der Widerstände 73, 74 definiert, bei welcher Kondensatorspannung der Querregler 62 seine Schaltschwelle erreicht und schaltet.
Wird die Schaltschwelle des Querreglers 62 an dessen Referenzanschluss erreicht, leitet der Querregler 62 und die Systemspannung fällt über den zweiten Widerstand 64 ab. Die Basis der Bypass-Transistoren 42 wird daher auf das Potential des Minuspols gezogen, wodurch die Bypass- Transistoren 42 durchgeschaltet, also leitend werden. Dadurch wird die Bypass-Schaltung 30 in den aktiven Zustand versetzt. Auf diese Weise definiert die Schaltschwelle des Querreglers 62 den Schaltpunkt für die Bypass-Transistoren 42. Nach dem Schalten der Bypass-Transistoren 42 fließt ein Teil des Ladestroms an dem Superkondensator 12 vorbei durch den Bypass-Transistor 42 und lädt auf diese Weise den Superkondensator 12 nicht mehr auf. Der Superkondensator 12 wird auf diese Weise zumindest dann vor Überspannung geschützt, wenn der von der Stromquelle zu dem Superkondensator 12 fließende Strom den durch die Bypass-Schaltung 30 um den Superkondensator 12 geleiteten Strom nicht übersteigt.
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst ferner einen Anzeigestrang 50, der einen Anzeigetransistor 52 umfasst. Der Anzeigetransistor 52 wird ebenfalls von dem Querregler 62 angesteuert, sobald dieser seine Schaltschwelle erreicht. Auf diese Weise definiert die Schaltschwelle des Querreglers 62 den Schaltpunkt für den Anzeigetransistor 52. Zwischen dem Reglerknoten 63 und der Basis des Anzeigetransistors 52 ist erneut ein dritter Widerstand 46 zum Toleranzausgleich angeordnet. In der Laststrecke des Anzeigetransistors 52 sind ferner eine Leuchtdiode 54 sowie ein vierter Widerstand 56 in Reihe geschaltet. Erreicht der Querregler 62 seine Schaltschwelle, so schaltet er den Anzeigetransistor 52, woraufhin die Leuchtdiode 54 leuchtet und damit anzeigt, dass sich die Bypass-Schaltung 30 in ihrem aktiven Zustand befindet.
Die Bypass-Transistoren 42 und der Anzeigetransistor 52 sind bei der hier gezeigten Ausführungsform nominell baugleich (bauähnlich) ebenso wie die dritten Widerstände 46 nominell baugleich sind. Dadurch schalten die Transistoren 42, 52 alle zum annähernd gleichen Zeitpunkt. Die Bypass- Transistoren 42 und der Anzeigetransistor 52 können bei anderen Ausführungsformen unterschiedlich sein. Bevorzugt sind die dritten Widerstände 46 jedenfalls derart an den jeweiligen Transistor 42, 52 angepasst, dass die Transistoren 42, 52 alle zum annähernd gleichen Zeitpunkt schalten.
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst ferner einen Optokoppler 90, der eine Sendeseite 92 mit einer Leuchtdiode 94 und eine Empfangsseite 96 mit einem Fototransistor 98 als Schalter 100 aufweist. Die Sendeseite 92 und die Empfangsseite 96 sind galvanisch voneinander getrennt. Die Leuchtdiode 94 wird von einer Steuereinheit 110 der Schaltungsanordnung 10 angesteuert. Hierzu ist die Leuchtdiode 94 einerseits mit einem Ausgang 114 der Steuereinheit 110 verbunden und andererseits mit einem Nullpotential UBO der Schaltungsanordnung 10 verbunden. Der Schalter 100 ist parallel zu dem Querregler 62 geschaltet.
Die Steuereinheit 110 ist ebenfalls mit dem Nullpotential UBO der Schaltungsanordnung 10 verbunden.
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst ein mit der Steuereinheit 110 verbundenes Display 116, auf dem Informationen zu den Superkondensatoren 12, beispielsweise deren Ladezustand, und den Bypass-Schaltungen 30, beispielsweise deren Zustand (aktiv, passiv), angezeigt werden.
Der Pluspol 17 jedes Superkondensators 12 ist über eine Schutzschaltung 120 mit jeweils einem eigenen Eingang 112 der Steuereinheit 110 verbunden. Die Steuereinheit 110 erhält auf diese Weise separate Eingangssignale, die von dem jeweiligen Kondensatorpotential der beiden Superkondensatoren 12 abhängen. Die Schutzschaltung 120 weist einen Spannungsteiler 122 mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen, einem siebten Widerstand 123 und einem achten Widerstand 124, auf. Der Spannungsteiler 122 ist an einem Ende mit dem Pluspol 17 verbunden und am anderen Ende mit dem Nullpotential UBO der Schaltungsanordnung 10 verbunden. Zwischen den Widerständen 123, 124 befindet sich ein Knoten 125 des Spannungsteilers 122. Zu dem achten Widerstand 124 sind ein Kondensator 126 und eine Z-Diode 127 parallel geschaltet. Die Z-Diode 127 und der Kondensator 126 dienen zum Spannungsschutz des Eingangs 112 und zur Sicherstellung der Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Der Knoten 125 des Spannungsteilers ist mit dem Eingang 112 der Steuereinheit 110 verbunden. Daher liegt an dem Eingang 112 ein Eingangssignal in Form eines Potentials an, das geringer ist als das Kondensatorpotential des jeweiligen Superkondensators 12. Die Widerstände 123, 124 des Spannungsteilers 122 sind an das maximale Kondensatorpotential des jeweiligen Superkondensators 12 derart angepasst, dass an dem Eingang 112 maximal 5 V anliegen.
Die Steuereinheit 110 erhält wie beschrieben an jedem Eingang 112 ein Eingangssignal. Da die Widerstandswerte der Widerstände 123, 124 des jeweiligen Spannungsteilers 122 bekannt sind, kann aus dem Eingangssignal das jeweilige Kondensatorpotential und aufgrund der Reihenschaltung die Kondensatorspannung des jeweiliges Superkondensators 12 ermittelt werden. Weichen die Kondensatorspannungen der beiden Superkondensatoren 12 voneinander ab, kann die Steuereinheit 110 ein weiteres Aufladen des Superkondensators 12 mit der höheren Kondensatorspannung verhindern. Hierzu wird die Bypass-Schaltung 30 des betroffenen Superkondensators 12 in den aktiven Zustand versetzt. Zunächst wird die Leuchtdiode 94 von der Steuereinheit 110 aktiviert, woraufhin sie den Fototransistor 98 durchschaltet. Dadurch wird der Schalter 100 geschlossen. Die Basis der Bypass-Transistoren 42 wird folglich auf das Potential der Kathode gezogen, wodurch die Bypass-Transistoren 42 und auch der Anzeigetransistor 52 durchgeschaltet, also leitend werden. Dadurch wird die Bypass-Schaltung 30 in den aktiven Zustand versetzt. Nach dem Schalten der Bypass-Transistoren 42 fließt ein Teil des Ladestroms an dem Superkondensator 12 vorbei durch den Bypass-Transistor 42 und lädt auf diese Weise den Superkondensator 12 nicht mehr auf.
Die Bypass-Schaltungen 30 umfassen ferner jeweils eine Sicherung 32, die zwischen dem Pluspol 17 des jeweiligen Superkondensators 12 und der Bypass-Schaltung 30 angeordnet ist. Die Sicherungen 32 unterbrechen den Stromfluss zwischen Superkondensatoren 12 und Bypass-Schaltung 30 im Falle einer extremen Überspannung. Ist eine Sicherung 32 unterbrochen, so kann die Steuereinheit 110 das anhand der Eingangssignale an ihren Eingängen 112 als Fehlerfall erkennen. Bei einem solchen Fehlerfall kann die Steuereinheit 110 beispielsweise den Ladevorgang insgesamt unterbrechen, beispielsweise indem sie ein hier nicht dargestelltes Relais schaltet und damit die Verbindung zwischen der Schaltungsanordnung 10 und einer Spannungsquelle unterbricht.
Die Figur 2 zeigt den Schaltplan eines elektrischen Energiespeichers 200. Der Energiespeicher 200 umfasst zwei Schaltungsanordnungen 10, die entsprechend der Darstellung in Figur 1 aufgebaut und in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet sind. Die Superkondensatoren 12 der zwei Schaltungsanordnungen 10 sind alle in Reihe geschaltet und einerseits mit einem Anodenanschluss 14 und andererseits mit einem Kathodenanschluss 16 verbunden. An dem Anodenanschluss 14 und dem Kathodenanschluss 16 kann erneut eine Stromquelle angeschlossen werden. Jedem Superkondensator 12 ist eine Bypass-Schaltung 30 parallel geschaltet. Jede Schaltungsanordnung 10 weist eine eigene Steuereinheit 110 auf. Jeder Steuereinheit 110 sind jeweils zwei Superkondensatoren 12 und dazugehörige Bypass-Schaltungen 30 zugeordnet. Jede Bypass- Schaltung 30 ist über zwei Verbindungen mit der jeweiligen Steuereinheit 110 verbunden, wobei wie in Figur 1 eine Verbindung mit einem Eingang 112 der Steuereinheit 110 und die andere Verbindung mit einem Ausgang 114 der Steuereinheit 110 verbunden ist.
Die Steuereinheiten 110 sind über einen Lichtleiter 117 unter galvanischer Trennung miteinander verbunden. Auf diesem Wege können die Steuereinheiten 110 Informationen austauschen, beispielsweise zu den Ladezuständen der einzelnen Superkondensatoren 12.
Der Energiespeicher 200 umfasst ferner eine Kommunikationseinheit 210. Die Kommunikationseinheit 210 weist mehrere Schnittstellen (nicht dargestellt) auf, mittels denen von außerhalb des Energiespeichers 200 mit der Kommunikationseinheit 210 kommuniziert werden kann. Die Steuereinheiten 110 sind jeweils über einen Lichtleiter 212, 214 unter galvanischer Trennung mit der Kommunikationseinheit 210 verbunden.
Der Energiespeicher 200 umfasst ferner ein Display 220, das mit der Kommunikationseinheit 210 verbunden ist. Auf dem Display 220 können insbesondere Informationen angezeigt werden, welche die Kommunikationseinheit 210 von den Steuereinheiten 110 erhält.
Bezugszeichenliste
10 Schaltungsanordnung
12 Superkondensator
14 Anodenanschluss
16 Kathodenanschluss
17 Pluspol
18 Minuspol
30 Bypass-Schaltung
32 Sicherung
40 Bypass-Strang
42 Bypass-Transistor
44 erster Widerstand
46 dritter Widerstand
50 Anzeigestrang
52 Anzeigetransistor
54 Leuchtdiode
56 vierter Widerstand
60 Reglerstrang
62 Querregler
63 Reglerknoten
64 zweiter Widerstand
70 Spannungsteilerstrang
72 Spannungsteiler
73 fünfter Widerstand
74 sechster Widerstand
75 Spannungsteilerknoten
90 Optokoppler
92 Sendeseite
94 Leuchtdiode
96 Empfangsseite Fototransistor Schalter Steuereinheit Eingang Ausgang Display Lichtleiter Schutzschaltung Spannungsteiler siebter Widerstand achter Widerstand Knoten Kondensator Z-Diode Energiespeicher Kommunikationseinheit Lichtleiter Lichtleiter Display

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Schaltungsanordnung (10) mit zumindest einem Superkondensator (12) und einer parallel zu dem Superkondensator (12) geschalteten Bypass-Schaltung (30), die in einem aktiven Zustand ein Aufladen des Superkondensators (12) verhindert oder begrenzt, wobei die Bypass- Schaltung (30) unterhalb einer vordefinierten Spannungsschwelle einer an dem Superkondensator (12) anliegenden Kondensatorspannung in einem inaktiven Zustand ist und bei Überschreiten der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Schaltung (30) einen von einer Steuereinheit (110) ansteuerbaren Schalter (100) umfasst, mittels dem die Bypass-Schaltung (30) unabhängig von der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand versetzbar ist.
2. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Superkondensatoren (12) in Reihe geschaltet sind, wobei jedem Superkondensator (12) jeweils eine Bypass-Schaltung (30) nach Anspruch 1 parallel geschaltet ist und wobei jeder Schalter (100) der Bypass-Schaltungen (30) unabhängig von den anderen Schaltern (100) ansteuerbar ist.
3. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) derart mit den Superkondensatoren (12) verbunden ist, dass sie die an dem jeweiligen Superkondensator (12) anliegende Kondensatorspannung und/oder das an einem Pluspol (17) des jeweiligen Superkondensators (12) anliegende Kondensatorpotential erfassen kann.
4. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Pluspol (17) jedes Superkondensators (12) mit jeweils einem Eingang (112) der Steuereinheit (110) verbunden ist, wodurch die Steuereinheit (110) ein Eingangssignal in Form eines Potentials in Abhängigkeit von dem Kondensatorpotential erhält.
5. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Pluspol (17) und dem dazugehörigen Eingang (112) der Steuereinheit (110) jeweils eine Schutzschaltung (120) mit einem Spannungsteiler (122) angeordnet ist, wobei der Spannungsteiler (122) an einem Ende mit dem Pluspol (17) verbunden ist und zwei in Reihe geschaltete Widerstände (123, 124) aufweist, zwischen denen ein Knoten (125) angeordnet ist und wobei der Eingang (112) der Steuereinheit (110) mit dem Knoten (125) verbunden ist.
6. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (123, 124) an das nominell maximale Kondensatorpotential des zugehörigen Superkondensators (12) angepasst sind.
7. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (123, 124) des Spannungsteilers (122) derart gewählt sind, dass das jeweilig an dem Eingang (112) der Steuereinheit (110) anliegende Potential unter einem vorbestimmten Wert liegt.
8. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Schaltung (30) zumindest einen als schaltendes Element arbeitenden, parallel zum Superkondensator (12) geschalteten Bypass-Transistor (42) und einen parallel zum Superkondensator (12) geschalteten Querregler (62) umfasst, der bei Erreichen seiner Schaltschwelle den Bypass-Transistor (42) durchschaltet und dadurch die Bypass-Schaltung (30) in den aktiven Zustand versetzt.
9. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Schaltung (30) einen parallel zum Superkondensator (12) geschalteten Spannungsteiler (72) umfasst, dessen Spannungsteilerknoten (75) mit einem Steuereingang des Querreglers (62) verbunden ist, wobei durch den Spannungsteiler (72) definiert ist, dass der Querregler (62) bei Erreichen der vordefinierten Spannungsschwelle seine Schaltschwelle erreicht.
10. Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (100) und der Querregler (62) parallel geschaltet sind und unabhängig voneinander den Bypass-Transistor (42) durchschalten.
11 . Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Schaltung (30) einen Optokoppler (90) mit einer Sendeseite (92) und einer Empfangsseite (96) umfasst, wobei die Sendeseite (92) mit der Steuereinheit (110) verbunden ist und wobei die Empfangsseite (96) den Schalter (100) ausbildet.
12. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Steuereinheiten (110) vorgesehen sind, wobei jede Steuereinheit (110) mit wenigstens einem Schalter (100) einer Bypass-Schaltung (30) verbunden ist und wobei benachbarte Steuereinheiten (110) unter galvanischer Trennung miteinander verbunden sind, insbesondere durch eine optische Verbindung. Elektrischer Energiespeicher (200) mit einem Gehäuse und mindestens einer in dem Gehäuse angeordneten Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Verwendung einer Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Energiespeicher (200) in einer Photovoltaikanlage, in einem Fahrzeug mit alternativem Antrieb, in einer Ladestation für Elektrofahrzeuge, in einem Pufferspeicher einer Windkraftanlage oder in einem mobilen Speicher. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) den Schalter (100) der Bypass- Schaltung (30) derart ansteuert, dass die Bypass-Schaltung (30) unabhängig von der vordefinierten Spannungsschwelle in den aktiven Zustand versetzt wird. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) die Schalter (100) mehrerer Bypass-Schaltungen (30) in Abhängigkeit von den an den Eingängen (112) der Steuereinheit (110) anliegenden Potentialen ansteuert. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) die an den Eingängen (112) der Steuereinheit (110) anliegenden Potentiale mehrerer Bypass-Schaltungen (30) miteinander vergleicht und in Abhängigkeit des Vergleichs die Schalter (100) ausgewählter Bypass- Schaltungen (30) ansteuert und dadurch die ausgewählten Bypass-Schaltungen (30) in den aktiven Zustand versetzt. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) die an den Eingängen (112) der Steuereinheit (110) anliegenden Potentiale mehrerer Bypass-Schaltungen (30) mittels eines durch den jeweiligen Spannungsteiler (72) vorgegebenen Faktors in Vergleichswerte umrechnet, anschließend die Vergleichswerte der Bypass-Schaltungen (30) miteinander vergleicht und in Abhängigkeit des Vergleichs die Schalter (100) ausgewählter Bypass-Schaltungen (30) ansteuert und dadurch die ausgewählten Bypass-Schaltungen (30) in den akti- ven Zustand versetzt, wobei durch den Vergleich insbesondere ermittelt wird, welcher Superkondensator (12) die höchste Kondensatorspannung aufweist und nur die diesem Superkondensator (12) zugehörige Bypass-Schaltung (30) aktiviert wird.
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