WO2009127377A1 - Method for charging and discharging a capacitor block, and charging station for charging and consumer for discharging the same - Google Patents

Method for charging and discharging a capacitor block, and charging station for charging and consumer for discharging the same Download PDF

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WO2009127377A1
WO2009127377A1 PCT/EP2009/002697 EP2009002697W WO2009127377A1 WO 2009127377 A1 WO2009127377 A1 WO 2009127377A1 EP 2009002697 W EP2009002697 W EP 2009002697W WO 2009127377 A1 WO2009127377 A1 WO 2009127377A1
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charging
capacitors
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PCT/EP2009/002697
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Richard Fodor
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Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/14Arrangements or processes for adjusting or protecting hybrid or EDL capacitors
    • HELECTRICITY
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    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/10Multiple hybrid or EDL capacitors, e.g. arrays or modules
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0024Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit

Definitions

  • n n equal capacitors C or capacitor cells C, which can be interconnected electronically from a pure parallel connection via series combinations of parallel groups and single capacitors to the pure series connection.
  • the natural charging and discharging of a capacitor is a known, simple electrophysical process, which is determined in time by the capacitance of the capacitor and the ohmic resistance in the charging circuit.
  • the charging of a capacitor to its rated voltage U N with a charger whose charging voltage is equal to the rated voltage is a theoretically infinitely long process.
  • the minimum charging voltage should therefore be greater than the rated voltage of the capacitor C to be charged in order to disconnect it from the charger when the rated voltage U N is reached .
  • the complete unloading into a load R E is theoretically an infinitely long process.
  • a capacitor is an energy source for operating a device, it can be discharged to a lower operating voltage limit U uB s. Ie. unused remains sitting on the capacitor the power 0,5CU UBS 2 . Only the energy difference 0.5C (U N 2 - U UBS 2 ) is used, or can be used.
  • the drive system comprises, inter alia, one or more supercapacitors.
  • the unit for controlling the the torque applied to the wheel of the vehicle uses the electric energy storage device different from the other electric power source, as a matter of priority, to supply the power necessary for driving the vehicle in case of request of drive torque.
  • the electrical energy storage device is prioritized in relation to the use of any other braking device.
  • a capacitor C If a capacitor C is used as energy storage, it must first be charged to a charger. Usually and in the simplest case, this is done with a constant voltage source, which itself is connected to a power distribution network. Charging the same capacitors C in parallel to their nominal voltage means a stored energy of 0.5nCU N 2 . If this parallel connection is switched to the pure series circuit after reaching the lower operating voltage limit U uB s, the energy 0, 5 (C / n) U uB s 2 remains on the capacitors. Thus, the energy 0.5 (nU N 2 - (l / n) U UBS 2 ) C could be used. It has to be checked: Can the voltage of nü uB s be controlled by isolation technology at the beginning of pure series connection?
  • n the more sensitive this problem.
  • the object is achieved by a method according to the method steps of claim 1, for which purpose an energy converter is used as charging station and thus DC voltage source uo (t) or a consumer R E (t) according to the features of claim 8.
  • a capacitor block consists of n equal capacitors C, which can be interconnected with electronic means / switches, such as transistors, so that when charging or discharging the capacitors of the capacitor block are interconnected to a total capacitance C tot .
  • a capacitor made up of the n equal capacitors C of a capacitor block is defined as reference capacitor C ref .
  • the voltage u re f (t) is constantly tapped during charging and discharging and transferred to control the charging to a first, the voltage source and the capacitor block linking processor P 1 and to control the discharge to a second, the capacitor block and the consumer R E (t) linking processor Pn transfer.
  • U OBS is the upper operating voltage threshold to be observed.
  • the charging current i L (t) into the load R L (t), the capacitor block to be charged, is meaningful.
  • the discharge of a charged capacitor block in the connected load R E (t) is started via the processor Pu with the pure parallel connection.
  • a wiring sequence with increasing serial Verschaltungscut n s and thus a monotonically decreasing sequence of total capacitances C ges -
  • the processor Pn interconnects the n capacitors C of the capacitor block in a higher serial stage n s ,
  • the terminal voltage u (t) goes through the voltage limits during the process: U uBS ⁇ u ⁇ t) ⁇ U oBS .
  • the charge or discharge of the capacitor block in pure series connection of its capacitors C also takes place uniformly, since the initial charge on all capacitors C is the same at the beginning of the interconnection state. For protection and thus for safety, all n capacitors could be short-circuited in parallel, for example, before the pure series connection, in order to force charge equalization. For long unused capacitor blocks such a protective measure is useful.
  • capacitors C per capacitor block can be used in one switching stage serial interconnection, in which there is a sequence of at least two total capacitances C tot , are selected and interconnected by the processor P 11 because of between a short-term and a long-term discharge (claim 4).
  • capacitor blocks can be charged in parallel to the voltage source uo (t) during charging and discharged in parallel into the consumer R E (t) during discharging.
  • the capacitor blocks are decoupled from each other via their individual processor P and thereby charged or discharged independently of the others. Ie. one capacitor block does not see the other connected, but the DC voltage source Uo (t) or the consumer R E (t) sees the connected capacitor blocks in parallel.
  • the terminal voltage in each interconnection moves exactly between the
  • the charging station with its electrical effect as a DC voltage source at the output is a photovoltaic system, for example, which is placed in a remote area and the light / radiation is exposed, or the photovoltaic system is on the roof of a photovoltaic system, for example, which is placed in a remote area and the light / radiation is exposed, or the photovoltaic system is on the roof of a photovoltaic system, for example, which is placed in a remote area and the light / radiation is exposed, or the photovoltaic system is on the roof of a
  • Such a system can be a performance very scattering system, which depends on the available Einstrahl nature.
  • Solar cells can be dimensioned by series and parallel connection to any power outputs.
  • the electrical output of the solar surface is available as a voltage source, wherein the electrical power output varies with the Einstrahlintenstician and therefore is variable over time.
  • the source voltage uo (t) is therefore variable.
  • Total capacity C ges C / n and on the other hand, the constant cyclic repositioning of the serial interconnection stages while maintaining the current total capacity C ges during a current interconnection.
  • the latter the constant charge equalization among the capacitors of a current overall interconnection, is critical to the charging or discharging of a capacitor block or capacitor blocks. Namely, conventional accumulators can not be balanced with each other in terms of their charge among each other.
  • Figure 1 shows the situation when loading
  • FIG. 2 shows the situation during unloading
  • FIG. 3 shows the situation for charge equalization
  • FIG. 4 shows the situation for transhipment
  • FIG. 5 shows the connection options for 1, 2 and 3 capacitors
  • FIG. 6 shows the connection options for 4 capacitors
  • FIG. 7 shows the connection options for 5 capacitors
  • FIG. 8 shows the connection options for 8 capacitors
  • FIG. 9a the interconnection device
  • FIG. 9b shows the first position of the changeover
  • FIG. 9c shows the second position of the changeover
  • FIG. 1 the purely electrical situation when charging a capacitor block of a total capacity C ges circuit technology is shown.
  • the energy converter which converts a primary energy E prim , light intensity, air, gas, water into the converted energy form E e i.
  • the energy converter acts as a DC voltage source with the time-varying source voltage Uo (t) and the internal resistance Ri.
  • the capacitor block is the load R L (t) for the DC voltage source during charging and consists of n equal capacitors C 9, depending on the electrical situation with the interconnection device according to the figure 9 interconnected or are purely parallel, purely serial or in series stages of purely parallel groups of at least one capacitor C.
  • the capacitor block C tot is coupled via the processor Pi to the DC voltage source, monitored by him and controlled with respect to the charging process. Between the DC voltage source and the connected load R L (t) there is the terminal voltage u (t), which is why the charging current i L (t) flows through the load R L (t).
  • FIG. 2 shows, by way of example and for the sake of clarity, the circuitry situation with a capacitor block as a current source for the consumer.
  • capacitor blocks are dimensioned and adaptable to a consumer.
  • This balancing process is carried out at closed switch off automatically. A superimposed current I E in this parallel circuit and out of her does not affect the charge balance.
  • FIG. 4 shows the situation by way of example when the current iu (t) flows through the resistor R L and the two capacitors nC and mC. In such a circuit no current flows when there is opposite voltage to the two capacitors.
  • the voltage nU nC -mU "at the capacitor nC becomes: u nC ( ⁇ ) - -, and at the capacitor mC: m + n
  • the circuit groups of an interconnection consist of pure parallel circuit groups, which are in series with each other or from one series mixture of parallel circuit groups and serial capacitors, with respect to the total generative capacities framed between the pure parallel circuit and the pure series connection of all capacitors C of the capacitor block.
  • FIG. 5 shows the case for a capacitor C, two capacitors C and three capacitors C, each as a capacitor block.
  • a capacitor C is trivial here.
  • the energy more of it can Ei 0.5C (U O U U ⁇ BS 2 BS 2) ent ⁇ taken not.
  • the capacitor block consists of three capacitors C
  • the energy E 3 0.5C (3U O Bs 2 - (1/3) U U BS 2 ) can be removed.
  • the interconnection paths are passing through the sequence: 3C; 2C / 3; C / 3, or only the consequence: 3C; C / 3; back and forth for loading and from the higher total capacity to the lower for unloading.
  • FIG. 6 shows all 5 possibilities of the interconnection for 4 capacitors of a capacitor block.
  • the interconnections On the right in the picture next to the, the interconnections the total capacities are registered, which decrease monotonically upwards, in the second serial stage from left to right. It can thus long term on the sequence: 4C; C; 2C / 5; C / 4, and short over the sequence: 4C; 3C / 4; 2C / 5; C / 4, to be unloaded.
  • n s 2
  • the total capacities are written.
  • the two crossed arrows point out.
  • the capacitor block now has 8 interconnected in the manner indicated capacitors C. There are a total of 22 possibilities of interconnection. Based on claim 3, the interconnection of the 8 capacitors C of the capacitor block for discharging should proceed in such a way that the terminal voltage u (t) in each serial stage the entire range between the upper operating voltage threshold U 0BS and the lower operating voltage threshold
  • FIG. 9a shows the arrangement of the 5 capacitors C and the connection with the 3 (n-1) open switches. Between two consecutive, equally arranged capacitors C sit 3 switches, two of which connect the same capacitor plates, one of the two different. If the terminal voltage u (t), as indicated in the figure, tapped, the lower plate of the first, in the figure 9a left capacitor is the potential reference point, as indicated by the grounding symbol representative.
  • FIGS. 9b to 9d show the conversion of the three serial groups for constant charge equalization in the 5 capacitors involved.
  • the position of the three groups consists of the two serial groups of two parallel capacitors C, followed serially by the one capacitor C.
  • the change of the interconnection can be switched to a currently required total capacity and, on the other hand, the repositioning of the groups of the current interconnection can be switched while maintaining the total capacity. Switching to a new interconnection to a different total capacity will be slow compared to repositioning, which must be much faster if at least one complete conversion cycle is to be switched.
  • the energy converter is a solar-electric device in the form of a Fotovoltaikanla- ge of 4 solar cells ä 80 and thus 320 W peak power and a voltage of 16.5 V.
  • the capacitor memory of a vehicle is loaded, the drive motor as a DC motor with 500 W and 36 V direct current voltage
  • U N 2.7 V.

Abstract

A method for charging a capacitor block and for discharging a capacitor block to a consumer as well as a charging and discharging station are disclosed. Charging and discharging is individually process-controlled and monitored for each capacitor block. The capacitor block comprises n identical capacitors C or capacitor cells C that can be connected together in a purely parallel circuit, serial circuit combinations of parallel groups and individual capacitors, or a purely serial circuit. The capacitor block is charged by a voltage source with a time variable source voltage (U0(t)) and is discharged as a current source to a time variable load. The load is discharged between two voltage thresholds in nominal operating conditions. The current time constant of the charging or discharging circuit is essential for charging and discharging the capacitor block, and so is the continuous repositioning of the serial stages of the current configuration of the capacitor block in order to continuously balance the charge among the capacitors while maintaining the current total capacity.

Description

Verfahren zum Laden und Entladen eines Kondensatorenblocks sowie Ladestation zum Laden und Verbraucher zum Entladen desselbenMethod for charging and discharging a capacitor block and charging station for charging and consumer for discharging the same
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Kondensatorenblocks oder paralleler Kondensatorenblöcke mit einer Gleichspannungsquelle der Quellenspannung uo(t) und zum Entladen eines solchermaßen geladenen Kondensatorenblocks in einen Verbraucher RE(t) mit dem Betriebsspannungsbereich UUBS <= u(t) <= UoBS- Dabei besteht ein Kondensatorenblock aus n gleichen Kondensatoren C oder Kondensatorzellen C, die von einer reinen Parallelschaltung über Serienschaltungskombinationen aus Parallelgruppen und Einzelkondensatoren bis zur reinen Serienschaltung elektronisch miteinander verschaltet werden können.The invention relates to a method for charging a capacitor block or parallel capacitor blocks with a DC voltage source of the source voltage uo (t) and discharging a capacitor block thus charged in a load R E (t) with the operating voltage range U UBS <= u (t) <= UoB S - There is a capacitor block of n equal capacitors C or capacitor cells C, which can be interconnected electronically from a pure parallel connection via series combinations of parallel groups and single capacitors to the pure series connection.
Das natürliche Laden und Entladen eines Kondensators ist ein bekannter, einfacher elektrophysikalischer Vorgang, der zeitlich von der Kapazität des Kondensators und dem ohmschen Widerstand im Ladestromkreis bestimmt wird. Das Laden eines Kondensators auf seine Nennspannung UN mit einem Ladegerät, dessen Ladespannung gleich der Nennspannung ist, ist ein theoretisch unendlich langer Vorgang. Die minimale Ladespannung sollte daher größer als die Nennspannung des zu ladenden Kondensators C sein, um ihn bei Erreichen der Nennspannung UN vom Ladegerät zu trennen. Auch das völlige Entladen in eine Last RE ist theoretisch ein unendlich langer Vorgang. Elektrisch zu betreibende Geräte haben jedoch üblicherweise einen Betriebsspannungsbereich UuBs <= u(t) <= U0BSf in dem sie arbeiten, d.h. bei Unterschreiten der unteren Betriebsspannungsschranke UuBs arbeiten sie nicht mehr im Nennbetrieb, wie beispielsweise ein von einem Akkumulator betriebenen Gerät, wie ein Schrauber oder eine Bohrmaschine, bekannt ist.The natural charging and discharging of a capacitor is a known, simple electrophysical process, which is determined in time by the capacitance of the capacitor and the ohmic resistance in the charging circuit. The charging of a capacitor to its rated voltage U N with a charger whose charging voltage is equal to the rated voltage is a theoretically infinitely long process. The minimum charging voltage should therefore be greater than the rated voltage of the capacitor C to be charged in order to disconnect it from the charger when the rated voltage U N is reached . The complete unloading into a load R E is theoretically an infinitely long process. However, devices to be operated electrically usually have an operating voltage range U uB s <= u (t) <= U 0BSf in which they operate, ie when they fall below the lower operating voltage limit U uB s they no longer operate in rated operation, such as one operated by a rechargeable battery Device, such as a screwdriver or a drill, is known.
Ist ein Kondensator eine Energiequelle zum Betreiben eines Geräts, kann dieser bis auf eine untere Betriebsspannungsschranke UuBs entladen werden. D. h. unverbraucht bleibt auf dem Kondensator die Energie 0,5CUUBS 2 sitzen. Es wird lediglich die Energiedifferenz 0,5C(UN 2 - UUBS 2) genutzt, bzw. kann genutzt werden.If a capacitor is an energy source for operating a device, it can be discharged to a lower operating voltage limit U uB s. Ie. unused remains sitting on the capacitor the power 0,5CU UBS 2 . Only the energy difference 0.5C (U N 2 - U UBS 2 ) is used, or can be used.
In der DE 602 Ol 615 wird ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug beschrieben, bei dem das Antriebssystem u. a. einen oder mehrere Superkondensatoren aufweist. Die Einheit zum Steuern des an das Rad des Fahrzeugs angelegten Drehmoments nutzt die sich von der anderen elektrischen Energiequelle unterscheidende elektrische Energiespeichervorrichtung prioritär, um die im Fall einer Anforderung eines Antriebsmoments notwendige Energie für den Antrieb des Fahrzeugs zu liefern. Im andern Fall, nämlich der Bremsanforderung wird die elektrische Energiespeichervorrichtung im Verhältnis zur Nutzung jeder anderen Bremsvorrichtung prioritär aufgeladen.In DE 602 Ol 615 an electric drive system for a vehicle is described, in which the drive system comprises, inter alia, one or more supercapacitors. The unit for controlling the the torque applied to the wheel of the vehicle uses the electric energy storage device different from the other electric power source, as a matter of priority, to supply the power necessary for driving the vehicle in case of request of drive torque. In the other case, namely the braking request, the electrical energy storage device is prioritized in relation to the use of any other braking device.
Kondensatoren C haben gegenüber Akkumulatoren den Vorteil, dass sie einfach und schnell mit einer typischen Zeitkonstanten τ = RC aufgeladen werden können. Mehr ausnutzen lässt sich die gespeicherte Energie aus zwei gleichen, zunächst parallel zueinander sitzenden Kondensatoren C, die nach Erreichen der unteren Betriebsspannungsschranke UUBS seriell zu einander geschaltet werden, da sie dann, mit der doppelten unteren Betriebsspannungsschranke beginnend, weiter entladen werden. Die nutzbare Energie ist dann 0,5C(UN 2 - 0,5UuBs2) - Bei mehr als 2 gleichen Kondensatoren C bzw. auch schon mit 2 verschiedenen Kondensatoren wird die Umschaltung von der Parallelschaltung auf serielle Schaltungen bei einer Entladung problematisch, da kleine serielle Teilkapazitäten schneller als große geladen oder entladen werden, ja sogar bis zur Spannungskompensation umgeladen werden, bzw. im schlechten Fall durch Überschreiten der Nennspannung UN zerstört werden.Capacitors C have the advantage over accumulators that they can be charged easily and quickly with a typical time constant τ = RC. More can be exploited the stored energy from two equal, initially parallel to each other sitting capacitors C, which are connected after reaching the lower operating voltage barrier U UBS serially to each other, since they are then, starting with the double lower operating voltage barrier, further discharged. The usable energy is then 0.5C (U N 2 - 0.5U uB s 2 ) - With more than 2 equal capacitors C or even with 2 different capacitors switching from parallel connection to serial circuits in a discharge problematic, because small serial partial capacities are charged or discharged faster than large ones, and even reloaded to voltage compensation, or destroyed in the worst case by exceeding the rated voltage U N.
Wird ein Kondensator C als Energiespeicher genutzt, muss er zunächst an einem Ladegerät geladen werden. Üblicherweise und im einfachsten Fall geschieht das mit einer Konstantspannungsquelle, die dazu selbst an ein Energieverteilungsnetz angeschlossen ist. n gleiche Kondensatoren C parallel auf ihre Nennspannung aufladen, bedeutet eine darin gespeicherte Energie von 0,5nCUN 2. Wird diese Parallelschaltung nach Erreichen der unteren Betriebsspannungsschranke UuBs direkt auf die reine Serienschaltung umgeschaltet, bleibt auf den Kondensatoren die Energie 0, 5 (C/n) UuBs2 übrig. Es könnten also die Energie 0,5(nUN 2 - (l/n) UUBS 2) C genutzt werden. Zu prüfen ist: Kann die Spannung von nüuBs zu Beginn der reinen Serienverschaltung isolationstechnisch beherrscht werden? Je größer n, umso sensibler diese Problematik. Daraus ergab sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich: es soll ein Kondensatorenblock; oder es sollen Kondensatorenblöcke aus oder jeweils aus n gleichen, miteinander verschaltbaren Kondensatoren C oder Kondensatorzellen C an einer Ladestation, die als Spannungsquelle mit zeitlich veränderlicher Quellenspannung Uo(t) wirkt, bis auf eine vorgegebene Nennspannung UN = UOBS aufgeladen werden und ein geladener Kondensatorenblock in eine elektrische Last RE (t) mit vorgegebenem Betriebsspannungsbereich UuBs <= u(t) <= UoBs entladen werden können.If a capacitor C is used as energy storage, it must first be charged to a charger. Usually and in the simplest case, this is done with a constant voltage source, which itself is connected to a power distribution network. Charging the same capacitors C in parallel to their nominal voltage means a stored energy of 0.5nCU N 2 . If this parallel connection is switched to the pure series circuit after reaching the lower operating voltage limit U uB s, the energy 0, 5 (C / n) U uB s 2 remains on the capacitors. Thus, the energy 0.5 (nU N 2 - (l / n) U UBS 2 ) C could be used. It has to be checked: Can the voltage of nü uB s be controlled by isolation technology at the beginning of pure series connection? The larger n, the more sensitive this problem. This resulted in the object on which the invention is based, namely: it should be a capacitor block; or capacitors blocks made of or in each case of n identical, interconnectable capacitors C or capacitor cells C at a charging station, which acts as a voltage source with time-varying source voltage Uo (t) are charged up to a predetermined nominal voltage U N = U OBS and a charged Capacitor block in an electrical load R E (t) with a predetermined operating voltage range U uB s <= u (t) <= U oB s can be discharged.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst, wozu ein Energiewandler als Ladestation und damit Gleichspannungsquelle uo(t) bzw. ein Verbraucher RE (t) gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 eingesetzt, bzw. verwendet wird.The object is achieved by a method according to the method steps of claim 1, for which purpose an energy converter is used as charging station and thus DC voltage source uo (t) or a consumer R E (t) according to the features of claim 8.
Das Verfahren zum Laden eines Kondensatorenblocks mit einer Gleichspannungsquelle mit zeitveränderlicher Quellenspannung uo(t) und das Verfahren zum Entladen in einen Verbraucher RE (t) mit vorgegebenem Betriebsspannungsbereich UuBs <= u(t) <= UOBS ist elektrotechnisch als Laden des Kondensatorenblocks mit einer Spannungsquelle und Entladen des geladenen Kondensatorenblocks als Stromquelle in einen Verbraucher zu sehen. Ein Kondensatorenblock besteht aus n gleichen Kondensatoren C, die mit elektronischen Mitteln/Schaltern, wie Transistoren, miteinander verschaltet werden können, so dass beim Laden oder Entladen die Kondensatoren des Kondensatorenblocks zu einer Gesamtkapazitäten Cges verschaltbar sind.The method for charging a capacitor block with a DC voltage source with time-varying source voltage uo (t) and the method for discharging into a load R E (t) with a predetermined operating voltage range U uB s <= u (t) <= U OBS is electrotechnically as loading the See capacitor block with a voltage source and discharge the charged capacitor block as a power source in a consumer. A capacitor block consists of n equal capacitors C, which can be interconnected with electronic means / switches, such as transistors, so that when charging or discharging the capacitors of the capacitor block are interconnected to a total capacitance C tot .
Für das Laden und Entladen ist folgender Verfahrensschritt gemeinsam: Ein Kondensator aus den n gleichen Kondensatoren C eines Kondensatorenblocks wird als Referenzkondensator Cref festgelegt. An ihm wird ständig die Spannung uref(t) beim Laden und Entladen abgegriffen und zum Steuern des Ladens an einen ersten, die Spannungsquelle und den Kondensatorenblock verknüpfenden Prozessor P1 übertragen und zum Steuern des Entladens an einen zweiten, den Kondensatorenblock und den Verbraucher RE (t) verknüpfenden Prozessor Pn übertragen. - A -The following method step is common for charging and discharging: A capacitor made up of the n equal capacitors C of a capacitor block is defined as reference capacitor C ref . At it, the voltage u re f (t) is constantly tapped during charging and discharging and transferred to control the charging to a first, the voltage source and the capacitor block linking processor P 1 and to control the discharge to a second, the capacitor block and the consumer R E (t) linking processor Pn transfer. - A -
Zum Laden des Kondensatorenblocks aus n gleichen Kondensatoren C werden die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:For charging the capacitor block from n equal capacitors C, the following method steps are carried out:
Aus der Menge aller Möglichkeiten der Parallel- und Serienverschal- tung der n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks aus seriellen Stufen ns, mit 1 <= ns <= n, mit Parallelgruppen λC von Kondensatoren C, mit 1 <= λ <= n, zu jeweils einer Gesamtkapazität Cges wird mindestens eine Teilmenge einschließlich der reinen Parallel- und Serienschaltung als Menge zur Verschaltungsauswahl in dem ersten Prozessor Pi abgelegt .From the set of all possibilities of parallel and series connection of the n capacitors C of the capacitor block of serial stages n s , with 1 <= n s <= n, with parallel groups λ C of capacitors C, with 1 <= λ <= n, to each of a total capacity C tot at least a subset including the pure parallel and series circuit is stored as a set for interconnection selection in the first processor Pi.
Die Spannung uref(t) an dem Referenzkondensator Cref des zum Laden an die Gleichspannungsquelle uo(t) angeschlossenen Kondensatorenblock wird von dem ersten Prozessor P1 überwacht und verglichen, um die n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks durch den Prozessor P1 in eine die Ladezeitkonstante T1=R1C^5 und damit Last und Spannung berücksichtigende Gesamtkapazität Cges zu verschalten, damit sich die Klemmenspannung u(t) in dem Bereich: ns*uref(t) = u(t) <= UoBs < Uo(t) bewegt. UOBS ist die einzuhaltende obere Betriebsspannungsschwelle. Aussagekräftig ist der Ladestrom iL(t) in die Last RL(t), den zu ladenden Kondensatorenblock. Beim Erreichen der Spannung uref(t) = UN an den Klemmen des Referenzkondensators Cref wird der Kondensatorenblock von der Spannungsquelle uo(t) getrennt und steht zur Entladung in eine Last, den Verbraucher RE(t), bereit. Für das Laden ist entscheidend, dass aus den im Prozessor P1 abgelegten Verschaltungsmöglich- keiten der n Kondensatoren des zu ladenden Kondensatorenblocks über diesen ständig überprüft wird, welche Gesamtkapazität Cges unter Berücksichtigung der Quellenspannung uo(t), bzw. des Ladestroms iL(t) und der Ladezeit für den Ladevorgang zweckdienlich oder am zweckdienlichsten ist. Die Folge der Gesamtkapazitäten Cges beim Ladevorgang muss keines Falls monoton sein. Sie wird durch die Situation an der Gleichspannungsquelle uo(t) und das zeitliche Ladeverlangen aus den vorhandenen Verschaltungsmöglichkeiten bestimmt.The voltage u ref (t) on the reference capacitor C ref of the capacitor block connected for charging to the DC voltage source uo (t) is monitored and compared by the first processor P 1 to place the n capacitors C of the capacitor block through the processor P 1 in one of the Charging time constant T 1 = R 1 C ^ 5 and thus total load capacitance C ges to account for load and voltage, so that the terminal voltage u (t) in the range: n s * u ref (t) = u (t) <= U oB s <Uo (t) moves. U OBS is the upper operating voltage threshold to be observed. The charging current i L (t) into the load R L (t), the capacitor block to be charged, is meaningful. When the voltage u ref (t) = U N at the terminals of the reference capacitor C ref is reached, the capacitor block is disconnected from the voltage source uo (t) and ready for discharging into a load, the load R E (t). For charging, it is crucial that the circuit capacitances of the n capacitors of the capacitor block to be charged, which are stored in the processor P 1 , be constantly checked as to which total capacitance C ges , taking into account the source voltage u o (t) or the charging current i L (t) and the charging time is convenient or most convenient for the charging process. The sequence of the total capacities C tot during the charging process must by no means be monotone. It is determined by the situation at the DC voltage source uo (t) and the temporal Ladeverlangen from the existing Verschaltungsmöglichkeiten.
Zum Entladen des Kondensatorenblocks aus n gleichen Kondensatoren C werden die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt: Wie zum Laden wird aus der Menge aller Möglichkeiten der Parallel- und Serienverschaltung der n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks aus seriellen Stufen ns, mit 1 <= ns <= n, mit Parallelgruppen λC vonFor discharging the capacitor block from n equal capacitors C, the following method steps are carried out: How to charge is from the set of all possibilities of parallel and series connection of the n capacitors C of the capacitor block from serial stages n s , with 1 <= n s <= n, with parallel groups λC of
Kondensatoren C, mit 1 <= λ <= n, zu jeweils einer Gesamtkapazität Cges mindestens eine Teilmenge einschließlich der reinen Parallel- und Serienschaltung als Menge zur Verschaltungsauswahl in dem zweiten Prozessor Pn abgelegt.Capacitors C, with 1 <= λ <= n, for each total capacity C ges at least a subset including the pure parallel and series circuit stored as a set for interconnection selection in the second processor Pn.
Die Entladung eines geladenen Kondensatorenblocks in die angeschlossene Last RE (t) wird über den Prozessor Pu mit der reinen Parallelverschaltung begonnen. Die Entladung läuft, an der aktuellen Zeitkonstanten τE=RE(t)Cges orientiert, ähnlich der Entladung eines RC-Glieds ab. Dazu wird eine Verschaltungsfolge mit größer werdender serieller Verschaltungsstufe ns und damit einer monoton abnehmenden Folge an Gesamtkapazitäten Cges- Beim jeweiligen Erreichen der unteren Grenze der Betriebsspannung UuBs verschaltet der Prozessor Pn die n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks in eine höhere serielle Stufe ns. Die Klemmenspannung u(t) durchläuft während des Vorgangs die Spannungsgrenzen: UuBS ≤u{t)≤UoBS . Beim Erreichen der unteren Spannungsgrenze uref(t) = UuBs/n am Referenzkondensator Cref und damit der letzten Verschaltung aus der Entladung: der reinen Serienschaltung mit der kleinsten Gesamtkapazität Cges = C/n wird der Kondensatorenblock von der Last RE (t) getrennt.The discharge of a charged capacitor block in the connected load R E (t) is started via the processor Pu with the pure parallel connection. The discharge, which is based on the current time constant τ E = R E (t) C tot , proceeds in a similar way to the discharge of an RC element. For this purpose, a wiring sequence with increasing serial Verschaltungsstufe n s and thus a monotonically decreasing sequence of total capacitances C ges - When each reaching the lower limit of the operating voltage U uB s, the processor Pn interconnects the n capacitors C of the capacitor block in a higher serial stage n s , The terminal voltage u (t) goes through the voltage limits during the process: U uBS ≤u {t) ≤U oBS . Upon reaching the lower voltage limit u ref (t) = U uB s / n at the reference capacitor C ref and thus the last connection from the discharge: the pure series circuit with the smallest total capacity C ges = C / n, the capacitor block of the load R E (t) separated.
Gemeinsam für das Verfahren zum Laden und Entladen und unerlässlich dafür ist der folgende Verfahrensschritt oder sind die Verfahrensschritte während dem Bestehen einer aktuellen Verschaltung der n Kondensatoren des Kondensatorenblocks:Common to the process of charging and discharging and essential for this is the following process step or are the process steps during the existence of a current interconnection of the n capacitors of the capacitor block:
Während des Ladens und Entladens des Kondensatorenblocks wird während jeder Verschaltung bei 1 < ns < n seriellen Stufen die Verschaltung unter Beibehaltung der aktuellen Gesamtkapazität Cges zum ständigen Ladungsausgleich zwischen den Kondensatoren C mindestens einmal über die elektronischen Schaltmittel wie zur Verschaltung zyklisch umgestellt. Bei der reinen Parallelschaltung der n Kondensatoren des Kondensatorenblocks mit der Gesamtkapazität Cges = nC werden alle n Kondensatoren stets gleich geladen, eine zyklische Umstellung in dieser Verschaltung ist unnötig. Die Ladung oder Entladung des Kondensatorenblocks in reiner Serienschaltung seiner Kondensatoren C erfolgt ebenfalls gleichmäßig, da die Anfangsladung auf allen Kondensatoren C zu Beginn des Verschaltungszustandes gleich ist. Zum Schutz und damit zur Sicherheit könnten alle n Kondensatoren vor der reinen Serienver- schaltung beispielsweise kurz parallel geschlossen werden, um Ladungsausgleich zu erzwingen. Bei lange ungebraucht stehenden Kondensatorenblöcken ist eine solche Schutzmassnahme sinnvoll.During charging and discharging of the capacitor block during each interconnection at 1 <n s <n serial stages, the interconnection while maintaining the current total capacity C ges for constant charge equalization between the capacitors C at least once cyclically over the electronic switching means such as interconnected. In the pure parallel connection of the n capacitors of the capacitor block with the total capacitance C ges = nC all n capacitors are always loaded the same, a cyclic changeover in this interconnection is unnecessary. The charge or discharge of the capacitor block in pure series connection of its capacitors C also takes place uniformly, since the initial charge on all capacitors C is the same at the beginning of the interconnection state. For protection and thus for safety, all n capacitors could be short-circuited in parallel, for example, before the pure series connection, in order to force charge equalization. For long unused capacitor blocks such a protective measure is useful.
Ist die Klemmenspannung u(t) zwischen dem Kondensatorenblock und der Last im Bereich UuBS < u(t) = ns*uref(t) < UoBS, kann ab n = 4 Kondensatoren- C pro Kondensatorenblock in einer Verschaltungsstufe der seriellen Verschaltung, bei der eine Folge von wenigsten zwei Gesamtkapazitäten Cges vorliegt, von dem Prozessor P11 wegen zwischen einer kurzzeitigen und eine langzeitigen Entladung gewählt und verschaltet werden (Anspruch 4) .If the terminal voltage u (t) between the capacitor block and the load is in the range U uBS <u (t) = n s * u re f (t) <U oBS , from n = 4 capacitors C per capacitor block can be used in one switching stage serial interconnection, in which there is a sequence of at least two total capacitances C tot , are selected and interconnected by the processor P 11 because of between a short-term and a long-term discharge (claim 4).
Erreicht die Klemmenspannung u(t) zwischen dem Kondensatorenblock und der Last die untere Betriebspannungsschranke u(t) = UuBS, werden ab n = 3 Kondensatoren C pro Kondensatorenblock die n Kondensatoren C vom dem Prozessor P11 in eine mindestens nächst höhere serielle Verschal- tungsstufe ns <= n verschaltet, d. h. die neue Gesamtkapazität Cges für die weitere Entladung in die Last RE (t) ist niedriger geworden.If the terminal voltage u (t) between the capacitor block and the load reaches the lower operating voltage limit u (t) = U uBS , starting at n = 3 capacitors C per capacitor block , the n capacitors C from the processor P 11 are converted into an at least next higher serial interconnection connected stage n s <= n, ie, the new total capacity C ge s for further discharge into the load R E (t) has become lower.
Beim Erreichen der unteren Grenze uref(t) = UuBs/n während der abschließenden, rein seriellen Verschaltung der n Kondensatoren wird der Kondensatorenblock von der Last RE(t) genommen. Beim Entladen wird - im Gegensatz zum Laden - beim Wechsel der seriellen Verschal- tungsstufen eine monoton abnehmende Verschaltungsfolge für die Gesamtkapazität Cges durchfahren. In einer festen seriellen Stufe ns muss das beim Entladen, falls mehr als eine Gesamtkapazitätsverschal- tung möglich ist, nicht sein (siehe unten) . Dort kann kurzzeitig oder langzeitig entladen werden.When the lower limit u ref (t) = U uB s / n is reached during the final purely serial connection of the n capacitors, the capacitor block is taken from the load R E (t). When unloading - in contrast to loading - when changing the serial interconnection stages a monotonically decreasing interconnection sequence for the total capacity C ges is passed through. In a fixed serial stage n s , this must not be the case when unloading, if more than one total capacity switch is possible (see below). There can be unloaded for a short or long time.
Allgemein gilt für einen Kondensatorenblock aus n gleichen Kondensatoren C, der von der reinen Parallelschaltung, nC, über serielle Stufen ns aus Parallelgruppen aus λ Kondensatoren C, mit 1 <= λ <= n, bis hin zur reinen Serienschaltung C/n verschaltet werden kann, dass die kleinste Gesamtkapazität der seriellen Stufe ns größer ist als die größte Gesamtkapazität der Folgestufe ns + 1. Der Betriebsspannungsbereich UuBs <= u(t) <= UoBs ist beim Entladen in den Verbraucher RE(t) wegen eines ungefährdeten Nennbetriebs zu beachten. Ein Kondensatorenblock; mit n auf Nennspannung geladenen Kondensatoren C könnte zum Entladen in den Verbraucher ohne Sicherheitseinrichtung sofort in die reine Serienschaltung mit Cges = C/n verschaltet werden und hätte damit zu Beginn der Entladung eine Klemmenspannung von u(0) = nUN. Ein Kondensatorenblock müsste dazu zumindest isolationstechnisch ausgelegt, dimensioniert sein. Problematisch milder wäre der Fall, dass die auf Nennspannung UN geladenen n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks zu Beginn des Entladens sofort in eine serielle Verschaltung mit ns > 1 verschaltet werden. Es wäre dann u(0) = nsUN. Diese Fälle sind realisierungstechnisch zwar kein Problem, sollen aber in dem Zusammenhang hier außen vor bleiben.Generally applies to a capacitor block of n equal capacitors C, of the pure parallel circuit, nC, via serial stages n s of parallel groups of λ capacitors C, with 1 <= λ <= n, up to the pure series circuit C / n are interconnected can that the smallest total capacity of the serial stage n s is greater than the maximum total capacity of the next stage n s + 1. The operating voltage range U uB s <= u (t) <= U oB s is to be observed when unloading in the consumer R E (t) due to a safe nominal operation. A capacitor block; With capacitors C charged to nominal voltage, it would be possible to connect them directly to the pure series circuit with C ges = C / n for discharging into the load without safety device and thus have a terminal voltage of u (0) = nU N at the beginning of the discharge. A capacitor block would have to be dimensioned at least isolation technology dimensioned. It would be problematical milder that the n capacitors C of the capacitor block charged to rated voltage U N are connected at the beginning of the discharge immediately into a serial connection with n s > 1. It would then be u (0) = n s U N. Although these cases are not a problem in terms of realization, they should be left out of this context.
Nach Anspruch 2 können mehrer Kondensatorenblöcke beim Laden parallel an der Spannungsquelle uo(t) geladen und beim Entladen parallel in den Verbraucher RE (t) entladen werden. Die Kondensatorenblöcke werden über ihren individuellen Prozessor P gegenseitig entkoppelt und dadurch unabhängig von den anderen geladen oder entladen werden. D. h. der eine Kondensatorenblock sieht den andern angeschlossenen nicht, wohl aber sieht die Gleichspannungsquelle Uo(t) oder der Verbraucher RE (t) die angeschlossenen Kondensatorenblöcke parallel.According to claim 2, several capacitor blocks can be charged in parallel to the voltage source uo (t) during charging and discharged in parallel into the consumer R E (t) during discharging. The capacitor blocks are decoupled from each other via their individual processor P and thereby charged or discharged independently of the others. Ie. one capacitor block does not see the other connected, but the DC voltage source Uo (t) or the consumer R E (t) sees the connected capacitor blocks in parallel.
Nach Anspruch 3 beginnt das Entladen des voll geladenen Kondensatorenblocks in den Verbraucher RE(t) mit der größten GesamtkapazitätAccording to claim 3, the discharge of the fully charged capacitor block starts in the consumer R E (t) with the largest total capacity
Cges = nC und der zugrunde liegenden Entladezeitkonstanten τE=RE{t)nC. Die Klemmenspannung u(t) bewegt sich dabei in dem Bereich:Cges = n C and the underlying discharge time constant τ E = R E {t) nC. The terminal voltage u (t) moves in the range:
UuBS=^≤u(t)≤UoBS=UN.U uBS = ^ ≤ u (t) ≤ U o BS = U N.
Erreicht die Klemmenspannung u(t) die untere Grenzspannungsschwelle UUBS verschaltet der Prozessor PII in eine serielle Stufe <= ns um. Es liegt dann die Entladezeitkonstante τE = RE{t)Cgesaklu zugrunde. Zu Beginn dieser neuen Verschaltung ist u(0) <= nsUuBs <=UN. Durch diese Berücksichtigung durch den Prozessor P11 wird die Nennspannung für den Verbraucher RE(t) nicht überschritten. Für folgende Verschaltung bis hin zur reinen Serienschaltung kommt eine monoton abnehmende Folge der Gesamtkapazitäten zustande, bei der am Beginn jeder neuen Ver- schaltung auch sein kann: u(0) = UoBS -UN , also die obere Spannungs- schwelle UOBS nicht mehr erreicht wird.If the terminal voltage u (t) reaches the lower limit voltage threshold U U B S, the processor PII switches over to a serial stage <= n s . It is then based on the discharge time constant τ E = R E {t) C gesaklu . At the beginning of this new interconnection u (0) <= n s U uB s <= U N. This consideration by the processor P 11 , the rated voltage for the consumer R E (t) is not exceeded. For the following wiring up in the direction of pure series connection, a monotonically decreasing sequence of the total capacitances takes place, in which at the beginning of each new connection it can also be: u (0) = U oBS -U N , ie the upper voltage threshold U OBS is no longer reached.
In Anspruch 4 wird deshalb die Anzahl n der Kondensatoren C eines Kondensatorenblocks spezifiziert. Danach ist n = 2m, mit m= 0; 1; 2; ..., die Verschaltung geht von der reinen Parallelschaltung ns = 1 aus und geht derart in die neue Verschaltung über, dass bezüglich der neuen seriellen Stufe gilt: nsneu = 2nsall . Bei dieser Einstellung bewegt sich die Klemmenspannung in jeder Verschaltung genau zwischen denIn claim 4, therefore, the number n of the capacitors C of a capacitor block is specified. Then n = 2 m , with m = 0; 1; 2; ..., the interconnection is based on the pure parallel circuit n s = 1 and transitions into the new interconnection in such a way that with respect to the new serial stage: n sneu = 2n sall . With this setting, the terminal voltage in each interconnection moves exactly between the
Grenzspannungsschwellen: UuBS = —— ≤u(t)≤UN =UoBS , da ist: M(O)n^ =2* —— . Limit voltage thresholds : U uBS = - ≤u (t) ≤U N = U oBS , where: M (O) n ^ = 2 * -.
Das hat den Vorteil, dass die Klemmenspannung für das aktuelle CgeSaktu stets die gesamte Spannungsdifferenz: ΔU = UOBS - UUBS, mit der zugrunde liegenden aktuellen Zeitkonstant τL=R,Cges oder τE=RL(t)Cges ganz durchläuft und damit jeweils das zu durchlaufenden Zeitintervall für die Klemmenspannung u(t) am längsten ist.This has the advantage that the terminal voltage for the current C geSak tu always the entire voltage difference: .DELTA.U = U OBS - U UBS , with the underlying current time constant τ L = R, C ges or τ E = R L (t) C ges runs through and thus each time to be traversed time interval for the terminal voltage u (t) is the longest.
Gibt es in einer Stufe von ns seriellen Stufen mehr als eine Ver- schaltungsmöglichkeit , also unterschiedliche Gesamtkapazitäten Cges, ~ das ist erstmals mit n = 4 Kondensatoren C bei ns = 2 seriellen Stufen der Fall -, kann nach Anspruch 5 durch den Prozessor Pn zwischen diesen Gesamtkapazitäten umverschaltet werden, solange die Klemmenspannung des Kondensatorenblocks sich zwischen den beiden Grenzspannungsschwellen: UuBS <u(t) <UoBS =UN bewegt. Damit ist die zugrunde liegende Entladezeitkonstante τE = RE(t)Cges während dieses Entladeintervalls variierbar. Das kann auch mit einer ungeraden aber auch mit einer geraden Anzahl n an Kondensatoren C gemacht werden, bei der ist: 2m ≠ n allerdings dann nicht bis zur reinen Serienschaltung C/n, sondern dann nur bis höchstens 2m < n.If there is more than one possibility of interconnection in one stage of n s serial stages, ie different total capacitances C tot , which is the case for the first time with n = 4 capacitors C at n s = 2 serial stages, then according to claim 5 Processor Pn be switched between these total capacities as long as the terminal voltage of the capacitor block between the two threshold voltage thresholds : U uBS <u (t) <U oBS = U N moves. Thus, the underlying discharge time constant τ E = R E (t) C ges is variable during this discharge interval. This can also be done with an odd but also an even number n of capacitors C, in which: 2 m ≠ n, however, then not up to the pure series circuit C / n, but only up to a maximum of 2 m <n.
Die Ladestation mit ihrer elektrischen Wirkung als Gleichspannungsquelle am Ausgang ist eine photovoltaische Anlage beispielsweise, die in einem entlegenen Gebiet aufgestellt und zum Licht/zur Strahlung exponiert ist, oder die photovoltaische Anlage ist auf dem Dach einesThe charging station with its electrical effect as a DC voltage source at the output is a photovoltaic system, for example, which is placed in a remote area and the light / radiation is exposed, or the photovoltaic system is on the roof of a
Gebäudes montiert. Eine solche Anlage kann eine leistungsmäßig sehr streuende Anlage sein, das hängt ab von der zur Verfügung stehenden Einstrahlfläche. Solarzellen können durch Serien- und Parallelverschaltung zu beliebigen Leistungsabgaben dimensioniert werden. Der elektrische Ausgang der Solarfläche steht als Spannungsquelle bereit, wobei die elektrische Leistungsabgabe mit der Einstrahlintensität variiert und deshalb zeitlich variabel ist. Die Quellenspannung uo(t) ist deshalb veränderlich.Building mounted. Such a system can be a performance very scattering system, which depends on the available Einstrahlfläche. Solar cells can be dimensioned by series and parallel connection to any power outputs. The electrical output of the solar surface is available as a voltage source, wherein the electrical power output varies with the Einstrahlintensität and therefore is variable over time. The source voltage uo (t) is therefore variable.
Andere Energiewandler sind gas-/luftgetriebene Anlagen. Hier wird ein Massestrom zum Treiben eines Generators genutzt. Das ist sehr breit fassbar und überdeckt solche Bereiche wie Windkraftanlagen, Wasserkraftanlagen in Form von Turbinen, Gehzeiten betriebene Anlagen, um auf Energiewandlungsbereiche nur beispielhaft hinzuweisen. Zu solchem Energiewandlungsprinzip von mechanischer Energie (Bewegungsenergie eines Massestroms) sind elektrische Generatoren, im Allgemeinen Drehstromgeneratoren, als eigentliche Wandler notwendig, deren elektrische Ausgangsspannung eine drehzahlabhängige Wechselspannung ist. An den elektrischen Ausgang des Generators schließt sich unmittelbar ein Gleichrichter an, so dass der Ausgang des Gleichrichters als Gleichspannungsquelle mit der drehzahlabhängigen und deshalb zeitveränderlichen Quellenspannung uo(t) wirkt.Other energy converters are gas / air powered systems. Here, a mass flow is used to drive a generator. This is very broad and covers such areas as wind turbines, hydropower plants in the form of turbines, walking time operated facilities to point to energy conversion areas only by way of example. For such an energy conversion principle of mechanical energy (kinetic energy of a mass flow) are electrical generators, generally three-phase generators, as an actual converter necessary whose electrical output voltage is a speed-dependent AC voltage. The rectifier is connected directly to the electrical output of the generator, so that the output of the rectifier acts as a DC voltage source with the speed-dependent and therefore time-variable source voltage u o (t).
Der Vorteil eines Kondensatorenspeichers mit n gleichen Kondensatoren C bestünde darin, dass aufgrund seiner hochvariierbaren Gesamtkapazität Cges zwischen nC und C/n und damit der Variabilität der Last RL(t) für die Spannungsquelle uo(t) (siehe unten in der Beschreibung zum Ausführungsbeispiel) ein mechanisches Getriebe zwischen Rotor und Generator komplett entfallen könnte, womit eine Gewichtseinsparung bestünde und die Wartung des Getriebes im Generatorraum entfiele.The advantage of a capacitor memory with n equal capacitors C would be that due to its highly variable overall capacitance C ges between nC and C / n and thus the variability of the load R L (t) for the voltage source uo (t) (see below in the description of Embodiment), a mechanical transmission between the rotor and generator could be completely eliminated, which would be a weight saving and would save the maintenance of the transmission in the generator room.
Entscheidend für die Brauchbarkeit und Effektivität des Verfahrens sind: einerseits die Möglichkeiten der Verschaltung von n gleichen Kondensatoren C eines Kondensatorenblocks von der reinen Parallelschaltung aller n Kondensatoren C mit der höchsten Gesamtkapazität Cges = nC ü- ber Mischverschaltungen aus seriellen Parallelgruppen bis hin zur rein seriellen Verschaltung der n Kondensatoren C mit der kleinstenDecisive for the usefulness and effectiveness of the method are on the one hand the possibilities of interconnecting n equal capacitors C of a capacitor block from the pure parallel connection of all n capacitors C with the highest total capacitance C ges = nC via mixed interconnections from serial parallel groups to purely serial connection of the n capacitors C with the smallest
Gesamtkapazität Cges = C/n und andrerseits die ständige zyklische Umpositionierung der seriellen Verschaltungsstufen unter Beibehaltung der aktuellen Gesamtkapazität Cges während einer aktuellen Verschaltung. Letzteres, der ständige Ladungsausgleich unter den Kondensatoren einer aktuellen Gesamtverschaltung, ist entscheidend für das Laden oder Entladen eines Kondensatorenblocks oder von Kondensatorenblöcken. Herkömmliche Akkumulatoren können nämlich nicht untereinander hinsichtlich Ihrer Ladung untereinander ausgeglichen werden.Total capacity C ges = C / n and on the other hand, the constant cyclic repositioning of the serial interconnection stages while maintaining the current total capacity C ges during a current interconnection. The latter, the constant charge equalization among the capacitors of a current overall interconnection, is critical to the charging or discharging of a capacitor block or capacitor blocks. Namely, conventional accumulators can not be balanced with each other in terms of their charge among each other.
Beim Laden des Kondensatorenblocks kann deshalb unter Berücksichtigung der Klemmenspannung u(t) und des Ladezustands uref(t) immer in eine am besten passende Gesamtkapazität Cges verschaltet werden. Allerdings kann auch schnell in reiner Serienschaltung bei hinreichend großem uo(t), weil dann τL=—R,C zugrunde liegt, oder langsam in reift ner Parallelschaltung, weil dann
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zugrunde liegt, geladen werden. Beim Entladen wird sinnvoll und zweckmäßigerweise mit der größten Gesamtkapazität Cges = nC das Entladen begonnen.
Therefore, when charging the capacitor block, taking into account the terminal voltage u (t) and the state of charge u ref (t), it is always possible to connect it to a total capacity C tot which fits best. However, can also quickly in pure series circuit at sufficiently large uo (t), because then τ L = -R, C is based, or slowly in maturing ner parallel connection, because then
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is underlying, to be loaded. During unloading, it is expedient and expedient to start unloading with the greatest total capacity C ges = nC.
Rein technisch könnte das Entladen mit einer Verschaltung mit kleinerer Gesamtkapazität begonnen werden, das beträfe den Bereich der Spannungsvervielfachung, der hier nicht betrachtet werden soll. Beim Verschalten in eine Folgeverschaltung zur Entladung muss, um wieder in den Bereich UuBs <= u(t) = ns*uref(t) <= UOBS ZU kommen, in eine Verschaltung mit kleinerer Gesamtkapazität Cges verschaltet werden, wobei die Folge der Gesamtkapazitäten Cges beim Erhöhen der seriellen Stufen mit einer monoton abnehmenden Folge der aufeinander folgenden Gesamtkapazitäten einher geht.Purely technically, the unloading could be started with an interconnection with a smaller total capacity, this would affect the area of the voltage multiplication, which should not be considered here. When connecting to a sequence connection for discharging, in order to return to the range U uB s <= u (t) = n s * u re f (t) <= U OBS ZU, a connection with a smaller overall capacitance C ges must be connected , wherein the sequence of the total capacitances C ges in increasing the serial stages is accompanied by a monotonously decreasing sequence of the successive total capacities.
Im Folgenden wird das Verfahren zum Laden eines Kondensatorenblocks oder paralleler Kondensatorblöcke mit einer Gleichspannungsquelle der Quellenspannung uo(t) und zum Entladen eines Kondensatorenblocks in einen Verbraucher RL(t) mit Betriebsspannungsbereich UUBS <= u(t) <= UOBS? mit Hilfe der Zeich- nung näher erläutert. Die Zeichnung besteht aus den Figuren 1 bis 8, die im Einzelnen zeigen:In the following, the method for charging a capacitor block or parallel capacitor blocks with a DC voltage source of the source voltage uo (t) and discharging a capacitor block into a load R L (t) with operating voltage range U UBS <= u (t) <= U OBS? with the help of the drawing explained in more detail. The drawing consists of Figures 1 to 8, which show in detail:
Figur 1 die Situation beim Laden;Figure 1 shows the situation when loading;
Figur 2 die Situation beim Entladen;FIG. 2 shows the situation during unloading;
Figur 3 die Situation zum Ladungsausgleich;FIG. 3 shows the situation for charge equalization;
Figur 4 die Situation zur Umladung;FIG. 4 shows the situation for transhipment;
Figur 5 die Verschaltungsmöglichkeiten bei 1, 2 und 3 Kondensatoren;FIG. 5 shows the connection options for 1, 2 and 3 capacitors;
Figur 6 die Verschaltungsmöglichkeiten bei 4 Kondensatoren;FIG. 6 shows the connection options for 4 capacitors;
Figur 7 die Verschaltungsmöglichkeiten bei 5 Kondensatoren;FIG. 7 shows the connection options for 5 capacitors;
Figur 8 die Verschaltungsmöglichkeiten bei 8 Kondensatoren; .FIG. 8 shows the connection options for 8 capacitors; ,
Figur 9a die Verschaltungseinrichtung;FIG. 9a, the interconnection device;
Figur 9b die erste Position der Umstellung;FIG. 9b shows the first position of the changeover;
Figur 9c die zweite Position der Umstellung;FIG. 9c shows the second position of the changeover;
Figur 9d die dritte Position der Umstellung.Figure 9d, the third position of the changeover.
In Figur 1 ist die rein elektrische Situation beim Laden eines Kondensatorenblocks einer Gesamtkapazität Cges schaltungstechnisch dargestellt. Links im Bild befindet sich der Energiewandler, der eine Primärenergie Eprim, Lichtintensität, Luft, Gas, Wasser in die gewandelte Energieform Eei wandelt. Für den angeschlossenen Kondensatorenblock einer aktuellen Gesamtkapazität Cges wirkt der Energiewandler als Gleichspannungsquelle mit der zeitveränderlichen Quellenspannung Uo (t) und dem Innenwiderstand Ri. Der Kondensatorenblock ist während des Ladens die Last RL (t) für die Gleichspannungsquelle und besteht aus n gleichen Kondensatoren C, die je nach elektrischer Situation mit der Verschaltungseinrichtung entsprechend der Figur 9 miteinander verschaltet sind oder werden, und zwar rein parallel, rein seriell oder in seriellen Stufen aus rein parallelen Gruppen aus mindestens einem Kondensator C. Aufgrund der zyklischen Umstellung der seriellen Stufen während einer aktuellen Verschaltung wird mit der Messung an einem der n Kondensatoren des Kondensatorenblocks, dem Referenzkondensator Cref, der Zustand des Kondensatorenblocks ladungs- und damit spannungsmäßig ständig erfasst. Der Kondensatorenblock Cges wird über den Prozessor Pi mit der Gleichspannungsquelle gekoppelt, über ihn überwacht und hinsichtlich des Ladevorgangs gesteuert. Zwischen der Gleichspannungsquelle und der angeschlossenen Last RL(t) besteht die Klemmenspannung u(t), weswegen der Ladestrom iL(t) durch die Last RL(t) fließt. Der Kondensatorenblock habe unmittelbar vor dem Laden die Klemmenspannung UE. Für die folgende Betrachtung wird der Einfachheit halber angenommen, dass die Quellenspannung uo(t) = Uo = konstant sei. Das erleichtert die Veranschaulichung, da ohnehin vorausgesetzt werden muss, dass die zeitliche Änderung der Quellenspannung duo(t)/dt sehr klein ist und sich innerhalb einiger Ladezeitkonstanten des elektrischen Ladekreises, τL = RiCges an der Quellenspannung Uo (t) wenig ändert. Das ist einsichtig, wenn man an die Geschwindigkeit der Änderung der einstrahlenden Lichtintensität oder an das Drehmoment einer Turbine mit mechanisch gekoppeltem Generator denkt .In Figure 1, the purely electrical situation when charging a capacitor block of a total capacity C ges circuit technology is shown. On the left side of the picture is the energy converter, which converts a primary energy E prim , light intensity, air, gas, water into the converted energy form E e i. For the connected capacitor block of a current total capacitance C ges, the energy converter acts as a DC voltage source with the time-varying source voltage Uo (t) and the internal resistance Ri. The capacitor block is the load R L (t) for the DC voltage source during charging and consists of n equal capacitors C 9, depending on the electrical situation with the interconnection device according to the figure 9 interconnected or are purely parallel, purely serial or in series stages of purely parallel groups of at least one capacitor C. Due to the cyclical conversion of the serial stages during a current Interconnection with the measurement at one of the n capacitors of the capacitor block, the reference capacitor C re f, the state of the capacitor block charge and thus voltage constantly detected. The capacitor block C tot is coupled via the processor Pi to the DC voltage source, monitored by him and controlled with respect to the charging process. Between the DC voltage source and the connected load R L (t) there is the terminal voltage u (t), which is why the charging current i L (t) flows through the load R L (t). The capacitor block has the terminal voltage U E immediately before charging. For the following consideration it is assumed for the sake of simplicity that the source voltage uo (t) = Uo = is constant. This facilitates the illustration, there must be provided anyway, that the temporal change in the source voltage duo (t) / dt is very small and within a few charging time constant of the electrical charging circuit, τ L = Ric ges to the source voltage uo (t) changes little. This is reasonable considering the rate of change in incident light intensity or the torque of a mechanically coupled generator turbine.
Für U0 (t) = U0 = konstant ergeben sich aus dem Ladestromkreis, siehe Figur 1, dann der zeitlich abhängige Ladestrom:
Figure imgf000014_0001
die zeitlich abhangige Klemmenspannung:
For U 0 (t) = U 0 = constant resulting from the charging circuit, see Figure 1, then the time-dependent charging current:
Figure imgf000014_0001
the time-dependent terminal voltage:
u(t) = U0-(U0-UE)e R'c°" und aus beiden Beziehungen die zeitlich abhängige Last RL (t) an der Spannungsquelle beim Laden:
Figure imgf000014_0002
u (t) = U 0 - (U 0 -U E ) e R ' c ° "and from both relationships the time-dependent load R L (t) at the voltage source during charging:
Figure imgf000014_0002
Abhängig von der auf dem Kondensatorenspeicher verbliebenen Entladespannung UE ergibt sich ein Lastwiderstand zu Beginn des Ladens vonDepending on the remaining on the capacitor storage discharge voltage U E results in a load resistance at the beginning of the loading of
LK ) U0 -UE ' LK) U 0 -U E '
Die Gesamtkapazität geht nur in die Ladezeitkonstanten τL = R,Cges ein. Der Anfangsstrom IL(O) ZU Beginn einer neuen Verschaltung ist immer:The total capacity is only in the charging time constants τ L = R, C ges . The initial current I L (O) AT the beginning of a new connection is always:
Die zugrunde liegende Ladezeitkonstante ist am größten für die reine Parallelschaltung mit der Gesamtkapazität Cges = nC und am kleinsten für die reine Serienschaltung mit der Gesamtkapazität Cges = C/n, damit ist die verschaltbare, einstellbare Gesamtkapazität Cges des Kondensatorenblocks aus dem Bereich:The underlying charging time constant is greatest for pure parallel connection with total capacitance C ges = nC and smallest for pure series connection with the total capacitance C ges = C / n, so that is the interconnectable total capacitance Cges of the capacitor block of the range:
-R1C ≤τL ≤nR,C n wählbar. Ist: nUN<U0, ist die schnellstmögliche Ladung des Kondensatorenblocks in der reinen Serienschaltung mit der Ladezeitkonstanten τu= —R1C gegeben. n-R 1 C ≤τ L ≤nR, C n selectable. If: NU N <U 0 , the fastest possible charge of the capacitor block is given in pure series connection with the charging time constant τ u = -R 1 C. n
Ist: nsUN<UQ<nUN, steht für die schnellst mögliche Ladung des Kondensatorenblocks die kleinste Gesamtkapazität Cges der ns-ten seriellen Stufung mit der zugrunde liegenden Ladezeitkonstanten ^Ln1= R,Cges dazu zur Verfügung.Is: n s U N <U Q <nu N, stands for the fastest possible charging of the capacitors block the smallest total capacitance C tot of the n s -th serial staging with the underlying charge time constants ^ Ln1 = R, C total available for this purpose.
Die Spannungsquelle und damit der Energiewandler kann deshalb wegen der sich zeitlich ändernden Last RL(t) mit großer Wahlfreiheit für die aktuelle Gesamtkapazität Cges variabel zwischen einer langzeitigen Ladung, wegen τLp=ni?,C - reine Parallelschaltung -, und einer kurz¬The voltage source and thus the energy converter can therefore because of the time-varying load R L (t) with great freedom for the current total capacity C ges variable between a long-term charge, because τ Lp = ni ?, C - pure parallel circuit -, and a short ¬
zeitigen Ladung, wegen τu = — * R1C - reine Serienschaltung -, belastet n werden. Ladezeitkonstanten τL dazwischen sind durch entsprechende serielle Stufungen ns einrichtbar, bzw. bei genügend zur Verfügung stehender Ladezeit t und der Spannungssituation UN <uo(t) kann die natürliche Ladung des Kondensatorenblocks mit der größten Gesamtkapazität Cgesmax = n*C durchgeführt werden, d. h. ohne notwendige Umpositionie- rung der seriellen Stufen ns, weil ns = 1.early charge, because τ u = - * R 1 C - pure series circuit -, loaded n. Charge time constants τ L in between can be set up by means of corresponding serial increments n s , or with sufficient available charging time t and the voltage situation U N <u o (t), the natural charge of the capacitor block with the greatest total capacitance Cgesmax = n * C can be carried out ie without necessary repositioning of the serial stages n s , because n s = 1.
Aus diesen Betrachtungen geht unmittelbar hervor, dass das Laden des Kondensatorenblocks nur einsetzen kann, wenn zu Beginn der Ladung, bei welcher aktuellen Gesamtkapazität CgeSaktu auch immer, die Bedingung: uo(O) = Uo>UE vorliegt. Nach drei Ladezeitkonstanten τ = RiCges wäre der Lastwiderstand: i?L(3r)= ( U° e3-l)i? . Wird am Referenzkondensator Cref die Spannung uref(t) = u(t)/ns = UN erreicht, nimmt der Prozessor P1 den Kondensatorenblock; von der Gleichspannungsquelle. Er steht zur Entladung zur Verfügung.From these considerations, it is immediately apparent that the charging of the capacitor block can only be used if the condition: u o (O) = U o > U E is present at the beginning of the charge, at which actual total capacitance C ge ak tu always. After three charging time constants τ = RiC ges , the load resistance would be: i? L (3r) = ( U ° e 3 -l) i? , If the voltage u re f (t) = u (t) / n s = U N is reached at the reference capacitor C ref , the processor P 1 takes the capacitor block; from the DC voltage source. He is available for unloading.
Der oder die Verbraucher RE(t) wird oder werden in folgendem Spannungsbereich zwischen zwei Spannungsschwellen UuBs <= u(t) <= UOBS = UN betrieben. Figur 2 zeigt beispielhaft und der leichteren Übersicht halber die schaltungstechnische Situation mit einem Kondensatorenblock als Stromquelle für den Verbraucher. Der zweite Prozessor P11 detektiert wiederum die Spannung uref(t) am Referenzkondensator Cref und vergleicht mit der Klemmenspannung u(t) . Zu Begin der Entladung des Kondensatorenblocks ist dieser mit seinen n gleichen Kondensatoren in die reine Parallelschaltung verschaltet und hat damit die größte Gesamtkapazität Cges = nC. Unter der Annahme, dass der Verbraucher zeitlich nicht oder allenfalls langsam und wenig sich ändert, kann das Verhalten der Entladung mit guter Näherung über die aus der Figur 2 abgeleiteten Beziehungen für Strom und Spannung betrachtet werden. Es ist dann nämlich:
Figure imgf000016_0001
oder allgemeiner je nach serieller Stufung ns:
Figure imgf000016_0002
mit der zugrunde liegenden Zeitkonstanten für die Entladung: τE-RECges, dabei meint U0 (ns) die obere Spannung zu Beginn der ns- stufigen Verschaltung, die kleiner UoBs sein muss. Da beim Erreichen der unteren Spannungsschwelle UuBs für einen Nennbetrieb der Last RE (t) in eine andere Verschaltung geschaltet werden, und zwar so, dass die Klemmenspannung u(t) wieder im Betriebsspannungsbereich UuBs <= u(t) <= U0BS zum Liegen kommt, muss in eine höhere serielle Stufe ns < n verschaltet werden. Für die Umschaltung von der reinen Parallelschaltung in die folgende zweistufige Verschaltung ns = 2 wird das schnell erkennbar. Ist bei der reinen Parallelschaltung, ns = 1, bei der Entladung die untere Schwelle UuBS erreicht, ist die Anfangsspannung bei ns = 2 u(0) = 2UuBS, bei ns = 3 u(0) = 3 UuBs, allgemein u(0) = nsUUBs bei der neuen Verschaltung aus der reinen Parallelschaltung heraus. Werden die seriellen Stufen ns unter jeweiliger Entladung sukzessive durchschritten, sind die Spannungsendbedingungen als Spannungsanfangsbedingung in die Folgeverschaltung zu übernehmen. Die rechnerische Ermittlung dazu ist aufwendig. Obige Betrachtungen machen den Vorgang des Entladens während jeder Verschaltung jedoch grundsätzlich klar.
The consumer or consumers R E (t) is or are operated in the following voltage range between two voltage thresholds U uB s < = u (t) <= U OBS = U N. FIG. 2 shows, by way of example and for the sake of clarity, the circuitry situation with a capacitor block as a current source for the consumer. The second processor P 11 in turn detects the voltage u ref (t) at the reference capacitor C ref and compares with the terminal voltage u (t). At the beginning of the discharge of the capacitor block this is connected with its n equal capacitors in the pure parallel circuit and thus has the largest total capacity C ges = nC. Assuming that the consumer does not change in time or at most slowly and with little change, the behavior of the discharge can be considered with good approximation via the current and voltage relationships derived from FIG. 2. It is then namely:
Figure imgf000016_0001
or more generally, depending on the serial staging n s :
Figure imgf000016_0002
with the underlying time constant for the discharge: τ E -R E C tot , where U 0 (n s ) means the upper voltage at the beginning of the n s -stufigen interconnection, which must be smaller U oB s. Since upon reaching the lower voltage threshold U uB s for a rated operation of the load R E (t) are switched to another circuit, in such a way that the terminal voltage u (t) again in the operating voltage range U uB s <= u (t) < = U 0 B S comes to rest, must be connected to a higher serial level n s <n. For the switchover from the pure parallel connection to the following two-stage connection n s = 2, this becomes quickly apparent. If, in pure parallel connection, n s = 1, the lower threshold U uBS is reached during the discharge, the initial voltage at n s = 2 u (0) = 2U uBS , at n s = 3 u (0) = 3 U uBs , general u (0) = n s U UB s in the new interconnection from the pure parallel connection out. If the serial stages n s are successively passed under the respective discharge, the voltage end conditions are to be taken over as the voltage starting condition in the subsequent connection. The computational determination to do so is expensive. However, the above considerations make the unloading process during each interconnection basically clear.
Auf dieser Grundlage ist eine Ladestation, sind Kondensatorenblöcke dimensionierbar und an einen Verbraucher anpassbar.On this basis, a charging station, capacitor blocks are dimensioned and adaptable to a consumer.
Kann beim Laden der Kondensatorenblock zwischen den seriellen Stufen 1 <= ns <= n an die Quellenspannung U0 (t) und als Last angepasst hin und her verschaltet werden, auch bei einer seriellen Stufe ns zwischen den dort vorhandenen stufengleichzahligen Möglichkeiten, muss beim Entladen die Stufenzahl ns beim Erreichen der unteren Schwellenspannung bei der neuen Verschaltung erhöht werden. Dies ist aber nur dann unproblematisch, wenn beim Wechsel von einer Verschaltung in eine andere - beim Laden oder Entladen - alle n Kondensatoren gleiche Ladung und damit gleiche Spannung haben. Die Notwendigkeit wird durch die folgenden kurzen Betrachtungen zum Ladungsausgleich und zur Umladung hervorgehoben.When charging the capacitor block between the serial stages 1 <= n s <= n to the source voltage U 0 (t) and connected as a load back and forth, even with a serial stage n s between the existing there stage equal opportunities must During unloading, the number of stages n s when reaching the lower threshold voltage in the new interconnection can be increased. However, this is not problematic if, when changing from one interconnection to another - when charging or discharging - all n capacitors have the same charge and therefore the same voltage. The need is highlighted by the following brief considerations for charge balancing and transhipment.
Figur 3 zeigt zwei zueinander parallele Kondensatoren der Kapazität mC bzw. nC, m und n seien ganzzahlig. Wirklichkeitsgetreuer wird der Kreis aus den beiden Kondensatoren mC, Widerstand Ra und dem offenen Schalter betrachtet. An beiden Kondensatoren liegt vor dem Einschalten die Spannung Uno bzw. die Spannung Umo. Mit dem Einschalten beginnt der Ausgleichstrom iA(t) zu fließen. Zu Beginn des Ausgleichvorgangs fließt der höchste Ausgleichstrom iA(Q) = —— — , der nach 3Figure 3 shows two parallel capacitors of capacitance mC and nC, m and n are integers. Reality is considered the circle of the two capacitors mC, resistor R a and the open switch. Before switching on, the voltage U n o or the voltage U m o is present at both capacitors. With the switch-on, the equalizing current i A (t) begins to flow. At the beginning of the compensation process, the highest balancing current i A (Q) = - -, which flows after 3
RA R A
Zeitkonstanten τA = RAC für den Ladungsausgleichs ganz erheblich m + n vermindert ist, nämlich e"3 = 0,049787... bzw. etwa auf 4,74% (e~5 = 0,00674 bzw. 0,674% oder e"10 = 0,0000454 bzw. 0,00454%), wodurch nahezu Spannungsgleichheit zwischen und damit Ladungsgleichheit auf den beiden Kondensatoren besteht. Dieser Ausgleichsvorgang läuft bei ge- schlossenem Schalter selbsttätig ab. Ein überlagerter Strom IE in diese Parallelschaltung und aus ihr heraus berührt den Ladungsausgleich nicht.Time constant τ A = R A C for the charge compensation significantly m + n is reduced, namely e "3 = 0.049787 ... or about to 4.74% (e ~ 5 = 0.00674 or 0.674% or e "10 = 0.0000454 or 0.00454%), whereby there is almost equal stress between and thus charge equality on the two capacitors. This balancing process is carried out at closed switch off automatically. A superimposed current I E in this parallel circuit and out of her does not affect the charge balance.
Für die Dimensionierung einer Ladestation und des Verbrauchers bzw. umgekehrt eines Kondensatorenblocks aus n gleichen Kondensatoren sind die beiden Zeitkonstanten: τL=RiCges für das Laden und τE=RECges fürFor the dimensioning of a charging station and the consumer or vice versa of a capacitor block of n equal capacitors, the two time constants are: τ L = R i C tot for charging and τ E = R E C tot for
das Entladen, in Beziehung zu der Zeitkonstanten τA = RAC für den m + nunloading, in relation to the time constant τ A = R A C for the m + n
Ladungsausgleich in Beziehung zu setzen, d. h. das Umpositionieren der seriellen Stufen einer aktuellen Verschaltung muss mindestens um ein Vielfaches ns schneller vor sich gehen als die Verschaltung in eine Folgeverschaltung.To put in charge balance relationship, ie the repositioning of the serial stages of a current wiring must be at least several times n s going quickly than the interconnection in a Sequence Ever circuit.
Bei einer Serienschaltung zweier Kondensatoren nC und mC besteht die Gefahr des Umladens der kleineren Kapazität, und zwar um so schneller, je größer der Kapazitätsunterschied ist, falls die beiden seriellen Kondensatoren in einem geschlossenen Kreis zum Liegen kommen. Figur 4 zeigt die Situation beispielhaft, wenn der Strom iu(t) durch den Widerstand RL und die beiden Kondensatoren nC und mC fließt. In einem solchen Kreis fließt kein Strom mehr, wenn an den beiden Kondensatoren einander entgegen gesetzte Spannung besteht. Die Spannung nUnC-mU„ am Kondensator nC wird: unC(∞) = —— — , und am Kondensator mC: m + nIn the case of a series connection of two capacitors nC and mC, there is the risk of reloading the smaller capacitance, and the faster, the greater the difference in capacitance, if the two serial capacitors come to rest in a closed circuit. FIG. 4 shows the situation by way of example when the current iu (t) flows through the resistor R L and the two capacitors nC and mC. In such a circuit no current flows when there is opposite voltage to the two capacitors. The voltage nU nC -mU "at the capacitor nC becomes: u nC (∞) = - -, and at the capacitor mC: m + n
u mc() = ~ ~ und somit uc+u c=0. Die Umladungsproblematik geht m + n aus den beiden Zählerdifferenzen deutlich hervor. Eine solche Situation muss vermieden werden. Das wird durch das ständige zyklische Umstellen der seriellen Stufen einer aktuellen Verschaltung Cges gewährt. Bei einer reinen Parallelschaltung ist das wegen des natürlichen Selbstausgleichs nicht nötig. Um in die reine serielle Verschaltung problemlos verschalten zu können, ist das bis zur unmittelbaren Cges-Verschaltung zuvor wegen der schließlichen Gleichentladung zwingend notwendig. u m c ( ) = ~ ~ and thus u c + u c = 0. The reloading problem is clear from the two counter differences m + n. Such a situation must be avoided. This is granted by the constant cyclic switching of the serial stages of a current interconnection C tot . In a pure parallel connection, this is not necessary because of the natural self-compensation. In order to be able to interconnect in the pure serial interconnection without any problem, this is absolutely necessary until the immediate Cg es switchover because of the eventual DC discharge.
Die Schaltungsgruppen einer Verschaltung bestehen aus reinen Parallelschaltungsgruppen, die in Reihe zueinander liegen oder aus einer seriellen Mischung aus Parallelschaltungsgruppen und seriellen Kondensatoren, bezüglich der erzeugbaren Gesamtkapazitäten eingerahmt zwischen der reinen Parallelschaltung und der reinen Serienschaltung aller Kondensatoren C des Kondensatorenblocks. Für n = 1; 2; 3 deuten sich die Vorteile der Änderung der Verschaltung der Kondensatoren C eines solchermaßen ausgestatteten Kondensatorenblocks sukzessive an. In Figur 5 ist der Fall für einen Kondensator C, zwei Kondensatoren C und drei Kondensatoren C jeweils als Kondensatorenblock dargestellt. Ein Kondensator C ist hier trivial. Es besteht nur eine Verschal- tungsmöglichkeit . Aus ihm kann die Energie Ei = 0,5C(UOBS2 ~ UUBS2) ent¬ nommen werden, mehr nicht.The circuit groups of an interconnection consist of pure parallel circuit groups, which are in series with each other or from one series mixture of parallel circuit groups and serial capacitors, with respect to the total generative capacities framed between the pure parallel circuit and the pure series connection of all capacitors C of the capacitor block. For n = 1; 2; 3, the advantages of changing the interconnection of the capacitors C of a capacitor block equipped in this way are indicated successively. FIG. 5 shows the case for a capacitor C, two capacitors C and three capacitors C, each as a capacitor block. A capacitor C is trivial here. There is only one interconnection option. The energy more of it can Ei = 0.5C (U O U U ~ BS 2 BS 2) ent ¬ taken not.
Bei einem Kondensatorenblock aus zwei Kondensatoren gibt es die zwei Verschaltungsmöglichkeiten der reinen Parallel- und der reinen Serienschaltung. Die entnehmbare Energie ist E2 = 0,5C(2UoBs2 - (1/2)UUBS 2) - Zwei Verschaltungen können eingestellt werden, nämlich Cges = 2C und Cges = C/2, damit bestehen ns = 2 serielle Stufen. Beide sind zugehörig angedeutet.In a capacitor block of two capacitors, there are the two interconnection options of pure parallel and the pure series circuit. The extractable energy is E 2 = 0.5C (2U oB s 2 - (1/2) U UBS 2 ) - Two interconnections can be set, namely Cg es = 2C and Cg es = C / 2, so n s = 2 serial stages. Both are implied.
Besteht der Kondensatorenblock aus drei Kondensatoren C, bestehen die drei gezeichneten Möglichkeiten der Verschaltung mit Cges = 3C; 2C/3 und C/3, also ns = 3 seriellen Stufen. Damit ist hier die Energie E3 = 0,5C(3UOBs2 - (1/3)UUBS2) entnehmbar. Die Verschaltungswege sind das Durchlaufen der Folge: 3C; 2C/3; C/3, oder nur der Folge: 3C; C/3; hin und zurück für das Laden und von der höheren Gesamtkapazität zur niedrigeren für das Entladen.If the capacitor block consists of three capacitors C, the three options shown for the interconnection are C ges = 3C; 2C / 3 and C / 3, so n s = 3 serial stages. Thus, here the energy E 3 = 0.5C (3U O Bs 2 - (1/3) U U BS 2 ) can be removed. The interconnection paths are passing through the sequence: 3C; 2C / 3; C / 3, or only the consequence: 3C; C / 3; back and forth for loading and from the higher total capacity to the lower for unloading.
Figur 6 stellt alle 5 Möglichkeiten der Verschaltung für 4 Kondensatoren eines Kondenstorenblocks dar. Es bestehen ns = 4 serielle Stufen, wobei es in der zweiten seriellen Stufe, ns = 2, jetzt erstmalig zwei Möglichkeiten der Verschaltung gibt. Rechts im Bild neben der, den Verschaltungen sind die Gesamtkapazitäten eingetragen, die nach oben monoton abnehmen, in der zweiten seriellen Stufe von links nach rechts. Es kann somit langzeitlich über die Folge: 4C; C; 2C/5; C/4, und kurzer zeitlich über die Folge: 4C; 3C/4; 2C/5; C/4, entladen werden. Werden keine Schwellspannungen während des Ladens und Entladens bei den Verschaltungen der zweiten seriellen Stufe berührt, kann zwischen ihnen in diesem Spannungsband um- oder hin und her geschaltet werden, das ist durch den gestrichelten horizontalen Pfeil ange- deutet (zunehmend vielfältiger in den Figuren 7 und 8) . Beide Folgen können vollständig oder unvollständig, d.h. durch Überspringen wenigstens einer Folge ns durchfahren werden. Die Pfeile zwischen den möglichen Gesamtkapazitäten deuten wegen der Übersichtlichkeit lediglich den vollständigen Durchlauf an. Wie oben erläutert, kann jetzt entsprechend die Energie E4 = 0,5C(4UoBs2 ~ (1/4)UUBS2) entnommen werden.FIG. 6 shows all 5 possibilities of the interconnection for 4 capacitors of a capacitor block. There are n s = 4 serial stages, whereby in the second serial stage, n s = 2, there are now for the first time two possibilities of interconnection. On the right in the picture next to the, the interconnections the total capacities are registered, which decrease monotonically upwards, in the second serial stage from left to right. It can thus long term on the sequence: 4C; C; 2C / 5; C / 4, and short over the sequence: 4C; 3C / 4; 2C / 5; C / 4, to be unloaded. If no threshold voltages are touched during charging and discharging in the circuits of the second serial stage, it is possible to switch between them in this voltage band or back and forth, this is indicated by the dashed horizontal arrow. indicates (increasingly diverse in Figures 7 and 8). Both sequences can be traversed completely or incompletely, ie by skipping at least one sequence n s . The arrows between the possible total capacities indicate only the complete passage for clarity. As explained above, the energy E4 = 0.5C (4U oB s 2 ~ (1/4) U U BS 2 ) can now be extracted accordingly.
Figur 7 stellt alle Verschaltungsmöglichkeiten von n = 5 Kondensatoren C dar, es sind 7 Verschaltungsmöglichkeiten. Mit zwei Möglichkeiten in der zweiten seriellen Stufe, ns = 2, in der dritten seriellen Stufe, ns = 3, und sonst jeweils noch eine. Rechts neben den Schaltungen sind die Gesamtkapazitäten geschrieben. Es liegt wieder eine vertikale Folge von Gesamtkapazitäten für langzeitliches Entladen vor, nämlich der rechte Durchlauf, und der kurzzeitige Durchlauf links vertikal. Mit zwei und drei seriellen Stufe kann bei UuBs <= u(t) <= UOBS wieder umgeschwenkt werden. Die beiden gekreuzten Pfeile weisen darauf hin. Hier ist jetzt entsprechend die entnehmbare Energie E5 = 0,5C(5UOBS 2 - (1/5)UUBS 2).FIG. 7 shows all interconnection options of n = 5 capacitors C, there are 7 interconnection options. With two options in the second serial stage, n s = 2, in the third serial stage, n s = 3, and one more each. Right next to the circuits, the total capacities are written. There is again a vertical sequence of total capacities for long-term unloading, namely the right pass, and the short run left vertical. With two and three serial stages, at U uB s <= u (t) <= U OBS can be reversed again. The two crossed arrows point out. Here, accordingly, the extractable energy is E 5 = 0.5C (5U OBS 2 - (1/5) U UBS 2 ).
Aus Figur 8a werden die Entwicklung der Vielfalt der möglichen Verschaltungen und damit die Erzeugung von Gesamtkapazitäten ersichtlich. Der Kondensatorenblock hat jetzt 8 miteinander in angegebener Manier verschaltbare Kondensatoren C. Hierzu gibt es insgesamt 22 Möglichkeiten der Verschaltung. In Anlehnung an Anspruch 3 soll die Verschaltung der 8 Kondensatoren C des Kondensatorenblocks zur Entladung derart vor sich gehen, dass die Klemmenspannung u(t) in jeder seriellen Stufe den gesamten Bereich der zwischen der oberen Betriebsspannungsschwelle U0BS und der unteren BetriebsspannungsschwelleFrom Figure 8a, the development of the variety of possible interconnections and thus the generation of total capacity can be seen. The capacitor block now has 8 interconnected in the manner indicated capacitors C. There are a total of 22 possibilities of interconnection. Based on claim 3, the interconnection of the 8 capacitors C of the capacitor block for discharging should proceed in such a way that the terminal voltage u (t) in each serial stage the entire range between the upper operating voltage threshold U 0BS and the lower operating voltage threshold
UUBS durchfährt, also: UuBS= ——≤u(t)≤UN =UoBS . Die Verschaltungsmöglichkeiten dazu sind in der Verschaltungsentwicklung von Figur 8a dünn umrandet. Das betrifft die reine Parallelschaltung, ns = 1, über die Möglichkeit bei der seriellen Stufung ns = 2, weiter über die der seriellen Stufung ns = 4 bis schließlich ns = 8. Für ns = 2 gibt es, solange UuBS = —— <u(t) <UN =UoBS ist, λ = 4 Möglichkeiten in diesem Zeitintervall beliebig nach Zweckmäßigkeit umzuverschalten oder einfach nur eine Verschaltung wenigstens davon auszuwählen. Dasselbe gilt für ns = 4, eben maximal mit λ = 5 Möglichkeiten (siehe die gestrichelten Pfeile in Figur 8b) . Wird die Folge der seriellen Stufung: ns = 1; 2; 4; 8, durchlaufen, geht damit eine monotone Abnahme der Gesamtkapazitäten von 8C über die seriellen Stufen bis zu C/8 einher. Dabei ist allgemein: die kleinste Gesamtkapazität einer seriellen Stufe ns ist größer als die größte Gesamtkapazität der Folgestufe ns + 1, hier mit 1 <= ns <= 8 (siehe Figur 8b) . Figur 8b zeigt weiter die vielfältigen Möglichkeiten der Verschaltung über die seriellen Stufen ns = 2 und 4 auf, das durch die Pfeilbüschel angedeutet wird. Mit jeweils kleinster Zeitkonstanten wird zur Entladung der linke Randweg: 8C; 7/8C; 5/16C; 1/8C gewählt, mit jeweils größter Zeitkonstanten der rechte Randweg: 8C; 2C; 1/2C; 1/8C, ansonsten beliebig dazwischen. Es kann n = 8 die Energie E8 = 0,5C(8UOBS 2 ~ (l/8)UuBs2) entnommen werden. Aus den Beispielen: Figuren 5 bis 8b, wird ersichtlich, wie mit größer werdendem n ein Kondensatorenblock immer feinstufiger geladen und entladen werden kann.UUBS, ie: U uBS = - ≤ u (t) ≤ U N = U oBS . The interconnection options for this are outlined in the wiring development of FIG. 8a. This applies to the pure parallel connection, n s = 1, via the possibility of n s = 2 for the serial step, further to that of the serial step n s = 4 and finally n s = 8. For ns = 2, as long as U uBS = - <u (t) <U N = U oBS , λ = 4 possibilities in this Time interval arbitrarily reconnect according to expediency or just to select at least one interconnection. The same is true for ns = 4, just maximum with λ = 5 possibilities (see the dashed arrows in Figure 8b). Will the sequence of serial staging be: n s = 1; 2; 4; 8, this results in a monotonous decrease in total capacities from 8C through the serial stages to C / 8. It is general that the smallest total capacity of a serial stage n s is greater than the maximum total capacity of the next stage n s + 1, here with 1 <= n s <= 8 (see Figure 8b). FIG. 8b further shows the manifold possibilities of the interconnection via the serial stages n s = 2 and 4, which is indicated by the arrow tufts. With the smallest time constants, the left edge path becomes: 8C; 7 / 8C; 5 / 16C; 1 / 8C selected, with the largest time constants the right edge path: 8C; 2C; 1 / 2C; 1 / 8C, otherwise in between. It can be taken n = 8 the energy E 8 = 0.5C (8U OBS 2 ~ (l / 8) U uB s 2 ). It can be seen from the examples: FIGS. 5 to 8b how, as n increases, a capacitor block can always be charged and discharged more finely.
Die Ermittlung aller möglichen Verschaltungen aus noch mehr Kondensatoren lässt sich nach der aufgezeigten Methode sicher entwickeln. Die Verschaltungen und die jeweils zugehörige Gesamtkapazität sind dadurch in die beiden Prozessoren für das Laden und Entladen eingebbar und die Verknüpfungen für die Überwachung und Steuerung der Vorgänge können eingeprägt werden. Es ist bemerkenswert, wie der Unterschied zwischen aufeinander folgenden Gesamtkapazitäten aus der monoton abnehmenden Folge aller möglichen Gesamtkapazitäten zu einem Kondensatorenblock aus n gleichen Kapazitäten C Richtung reiner Serienschaltung, Cges = C/n, immer kleiner wird. Eine technisch nutzbare Folge an Verschaltungen zu Gesamtkapazitäten für einen Kondensatorenblock nutzt deshalb vorteilhafterweise eine monoton abnehmende Gesamtkapa- zitätsteilfolge aus, die zur reinen Serienschaltung hin immer mehr Verschaltungsstufen auslässt, wie für den Fall n = 2m oben erläutert wurde, um beim Verschalten in die Folgestufe die obere Betriebsspannungsschwelle zu erreichen oder ihr möglicht nahe zu kommen, damit für die aktuelle Verschaltung ausreichend lange eine Betriebsspannungsbereich für den Verbraucher besteht und wegen der Entladezeit- konstanten τE = RL (t) CgeSaktu auch sicher mindestens 1 ümpositionie- rungszyklus gefahren werden kann (siehe im Folgenden) .The determination of all possible interconnections of even more capacitors can be safely developed according to the method shown. As a result, the interconnections and the associated total capacity can be entered into the two processors for loading and unloading and the links for monitoring and controlling the processes can be impressed. It is remarkable how the difference between successive total capacities from the monotonically decreasing sequence of all possible total capacitances to a capacitor block of n equal capacitances C in the direction of pure series connection, Cges = C / n, becomes ever smaller. A technically usable sequence of interconnections to total capacities for a capacitor block therefore advantageously utilizes a monotonically decreasing total capacity subsequence, which omits more and more interconnection stages in the pure series connection, as was explained for the case n = 2 m above, in order to interconnect into the next stage reach the upper operating voltage threshold or get close to it so that there is sufficient operating voltage range for the consumer for the current interconnection and because of the discharging time constant τ E = R L (t) C geSa k t u at least one override cycle can safely be run (see below).
Entscheidend für die Durchführung des Verfahrens des Ladens ist die Einstellung einer aktuell notwendigen Verschaltung der n Kondensatoren C eines Kondensatorenblocks zu einer Gesamtkapazität Cges und die zyklische Umstellung der seriellen Stufen 1 < ns < n während einer eingenommenen Verschaltung unter Beibehaltung der aktuellen Gesamtkapazität Cges- Sämtliche Verschaltungsmöglichkeiten in oben angegebener Manier können mit 3 (n - 1) Schaltern, die immer am selben Ort also ortsfest sitzen, eingerichtet werden. Das wird am Beispiel eines Kondensatorenblocks mit n = 5 gleichen Kondensatoren C in Figur 9 für den Fall der Gesamtkapazität Cges = C/2 und der Stufigkeit ns = 3 beispielhaft vorgeführt.Decisive for the implementation of the method of charging is the setting of a currently necessary interconnection of the n capacitors C of a capacitor block to a total capacitance C tot and the cyclic conversion of the serial stages 1 <n s <n during an assumed interconnection while maintaining the current total capacity C ges - All Verschaltungsmöglichkeiten in the manner given above can with 3 (n - 1) switches, which always sit in the same place so fixed, are set up. This is demonstrated by way of example using the example of a capacitor block with n = 5 identical capacitors C in FIG. 9 for the case of the total capacitance C ges = C / 2 and the step response n s = 3.
Figur 9a zeigt die Anordnung der 5 Kondensatoren C und die Verknüpfung mit den 3 (n - 1) offenen Schaltern. Zwischen zwei aufeinander folgenden, gleich angeordneten Kondensatoren C sitzen 3 Schalter, zwei davon verbinden jeweils gleich Kondensatorplatten, einer die beiden verschiedenen. Wird die Klemmenspannung u(t), wie in der Figur angedeutet, abgegriffen, ist die untere Platte des ersten, in der Figur 9a linken Kondensators Potentialbezugspunkt, wie durch das Erdungszeichen stellvertretend angedeutet ist.FIG. 9a shows the arrangement of the 5 capacitors C and the connection with the 3 (n-1) open switches. Between two consecutive, equally arranged capacitors C sit 3 switches, two of which connect the same capacitor plates, one of the two different. If the terminal voltage u (t), as indicated in the figure, tapped, the lower plate of the first, in the figure 9a left capacitor is the potential reference point, as indicated by the grounding symbol representative.
In den Figuren 9b bis 9d ist jeweils die Verschaltung der 5 Kondensatoren unter Beibehaltung der Gesamtkapazität Cges = C/2 dargestellt. Aus diesen 3 Figuren 9b bis 9d geht die Umstellung der drei seriellen Gruppen zum ständigen Ladungsausgleich in den beteiligten 5 Kondensatoren hervor.In FIGS. 9b to 9d, the interconnection of the five capacitors is shown while retaining the total capacitance C ges = C / 2. These figures 9b to 9d show the conversion of the three serial groups for constant charge equalization in the 5 capacitors involved.
In Figur 9b besteht die Stellung der drei Gruppen aus den zwei seriellen Gruppen aus jeweils zwei parallelen Kondensatoren C, seriell gefolgt von dem einen Kondensator C.In FIG. 9b, the position of the three groups consists of the two serial groups of two parallel capacitors C, followed serially by the one capacitor C.
In Figur 9c ist derart umgestellt, als einem Kondensator C die beiden seriellen Gruppen aus jeweils zwei parallelen Kondensatoren folgen. In Figur 9d ist weiter umgestellt, als einer Gruppe aus zwei parallelen Kondensatoren C seriell ein Kondensator C und diesem wiederum seriell die zweite Gruppe aus zwei parallelen Kondensatoren C folgt. Somit ist der Zyklus des Umstellens unter Beibehaltung der festen Ge- samtkapazität einmal erfolgt. Es kann dieser aufgezeigte Zyklus derIn FIG. 9c, the conversion is made such that a capacitor C is followed by the two serial groups of two parallel capacitors each. In Figure 9d is further converted, as a group of two parallel capacitors C series a capacitor C and this in turn serially follows the second group of two parallel capacitors C. Thus, the cycle of changeover while maintaining the fixed Total capacity once done. It may be this indicated cycle of
Umpositionierung oder der entgegen gesetzte getaktet werden.Repositioning or the opposite clocked.
Mit einem komplexen, potentialfreien Schalter lässt sich einerseits die Änderung der Verschaltung zu einer aktuell notwendigen Gesamtkapazität schalten und andrerseits die Umpositionierung der Gruppen der aktuellen Verschaltung unter Beibehaltung der Gesamtkapazität schalten. Für die Umstellung in eine neue Verschaltung zu einer andern Gesamtkapazität wird verhältnismäßig langsam geschaltet im Vergleich zum Umpositionieren, das erheblich schneller vonstatten gehen muss, soll wenigstens ein vollständiger Umstellungszyklus geschaltet werden können. In der DE 10 2008 010 417 ist beispielsweise ein solcher potentialfreier/potentialungebundener Schalter beschrieben, mit dem mit entsprechender Anzahl Schalter, nämlich 3(n - 1), in beschriebener Weise einerseits von einer aktuellen Verschaltung der n Kondensatoren C in eine neue Verschaltung geschaltet werden kann und andrerseits während einer aktuellen Verschaltung die seriellen Gruppen der Verschaltung unter Beibehaltung der Gesamtkapazität Cges mindestens einmal zyklisch umpositioniert werden können.With a complex, potential-free switch, on the one hand, the change of the interconnection can be switched to a currently required total capacity and, on the other hand, the repositioning of the groups of the current interconnection can be switched while maintaining the total capacity. Switching to a new interconnection to a different total capacity will be slow compared to repositioning, which must be much faster if at least one complete conversion cycle is to be switched. In DE 10 2008 010 417, for example, such a potential-free / potential-unbound switch is described, with which a corresponding number of switches, namely 3 (n-1), are switched in the described manner on the one hand by a current interconnection of the n capacitors C in a new interconnection and on the other hand, during a current interconnection, the serial groups of the interconnection can be cyclically repositioned at least once while retaining the total capacitance C ges .
Aufgrund eines ersten Aufbaus eines Kondensatorenblocks aus 10 gleichen Kondensatoren an dem das Laden und Entladen mit Umpositionieren der seriellen Stufen einer aktuellen Verschaltung untersucht wurde, ist ein derzeit ein Demonstrationsobjekt im Bau. Der Energiewandler ist eine solar-elektrische Einrichtung in Form einer Fotovoltaikanla- ge aus 4 Solarzellen ä 80 und somit 320 W Spitzenleistung sowie einer Spannung von 16,5 V. Damit wird der Kondensatorenspeicher eines Fahrzeugs geladen, der den Antriebsmotor als Gleichstrommotor mit 500 W und 36 V Gleichspannung treibt Der Kondensatorenblock besteht aus 66 Kondensatoren ä 5 000 F, die auf maximal UN = 2,7 V aufladbar sind. Somit werden 10 Sonnenstunden 800 Wh gespeichert. Das reicht aus, den Gleichstrommotor 1,6 h zu betreiben. Due to a first construction of a capacitor block of 10 equal capacitors at which the charging and discharging with repositioning of the serial stages of a current interconnection has been investigated, a demonstration object is currently under construction. The energy converter is a solar-electric device in the form of a Fotovoltaikanla- ge of 4 solar cells ä 80 and thus 320 W peak power and a voltage of 16.5 V. Thus, the capacitor memory of a vehicle is loaded, the drive motor as a DC motor with 500 W and 36 V direct current voltage The capacitor block consists of 66 capacitors of 5 000 F, which can be recharged to a maximum of U N = 2.7 V. Thus 10 Wh of sunshine 800 Wh are stored. That's enough to run the DC motor 1.6 h.

Claims

Patentansprüche :Claims:
1. Verfahren zum Laden mindestens eines Kondensatorenblocks mit einer Gleichspannungsquelle der Quellenspannung U0 (t) und zum Entladen mindestens eines solchermaßen geladenen Kondensatorenblocks Ri,(t) in einen Verbraucher RE(t), der in einem Betriebsspannungsbereich UUBS <= u(t) <= UOBS betrieben wird, wobei ein Kondensatorenblock aus n gleichen Kondensatoren C oder Kondensatorzellen C besteht, die von einer reinen Parallelschaltung über Serienschaltungskombinationen aus Parallelgruppen und Einzelkondensatoren bis zur reinen Serienschaltung miteinander verschaltet werden können,1. A method for charging at least one capacitor block with a DC voltage source of the source voltage U 0 (t) and for discharging at least one capacitor block Ri, (t) thus charged into a load R E (t), which in an operating voltage range U UBS <= u ( t) <= U OBS is operated, wherein a capacitor block consists of n equal capacitors C or capacitor cells C, which can be interconnected by a pure parallel connection via series combination of parallel groups and single capacitors to the pure series connection,
bestehend aus den Schritten:consisting of the steps:
an einem ausgewählten Kondensator der n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks, dem Referenzkondensator Cref, wird die Spannung uref beim Laden und Entladen gemessen und zum Steuern und Überwachen des Ladens an einen ersten Prozessor P1 sowie zum Steuern und Überwachen des Entladens an einen zweiten Prozessor Pn übertragen;on a selected capacitor of the n capacitors C of the capacitor block, the reference capacitor C ref , the voltage u ref is measured during charging and discharging and for controlling and monitoring the charging to a first processor P 1 and for controlling and monitoring the discharge to a second processor Transmit Pn;
A. Laden: aus der Menge aller Möglichkeiten der Parallel- und Serienver- schaltung der n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks aus seriellen Stufen ns, mit 1 <= ns <= n, mit Parallelgruppen λC von Kondensatoren C, mit 1 <= λ <= n, zu jeweils einer Gesamtkapazität Cges wird mindestens eine Teilmenge einschließlich der reinen Parallel- und Serienschaltung als Menge zur Verschaltungsauswahl in dem ersten Prozessor P1 abgelegt, zu Beginn jeder Verschaltung der n Kondensatoren zu einer aktuellen Gesamtkapazität Cges wird über die Messung der anfänglichen Klemmenspannung u(0) und des Ladestromes IL(O) in dem Prozessor Pi der Innenwiderstand Ri(O) der Spannungsquelle uθ(t) ermittelt, die Spannung uref(t) an dem Referenzkondensator Cref des zum Laden an die Gleichspannungsquelle uo(t) angeschlossenen Kondensatorenblock wird von dem ersten Prozessor Pi überwacht und vergli- chen, um die n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks durch denA. Load: from the set of all possibilities of the parallel and series connection of the n capacitors C of the capacitor block from serial stages n s , with 1 <= n s <= n, with parallel groups λ C of capacitors C, with 1 <= λ <= n, to each of a total capacity C total is at least stored a subset including the pure parallel and series connection of the amount to Verschaltungsauswahl in the first processor P 1, the beginning of each connection of the n capacitors to a current total capacitance C tot is the measurement the initial terminal voltage u (0) and the charging current I L (O) in the processor Pi, the internal resistance Ri (O) of the voltage source uθ (t) determines the voltage u re f (t) on the reference capacitor C ref des for charging the DC voltage source u o (t) connected capacitor block is monitored and compared by the first processor Pi chen to the n capacitors C of the capacitor block through the
Prozessor P1 in eine die Ladezeitkonstante τL = RjCges und damitProcessor P 1 into a charge time constant τ L = R j C ges and thus
Last berücksichtigende Gesamtkapazität Cges zu verschalten, die den Spannungsbereich mit der oberen Spannungsgrenze UOBS: ns*uref(t) = u(t) <= UoBS < U0 (t) einhält; beim Erreichen der Spannung uref(t) = UN an den Klemmen des Referenzkondensators Cref wird der Kondensatorenblock von der Spannungsquelle U0 (t) getrennt; Comply with load-taking total capacity C tot, which complies with the voltage range with the upper voltage limit U OBS : n s * u ref (t) = u (t) <= U o BS <U 0 (t); when the voltage u ref (t) = U N is reached at the terminals of the reference capacitor C ref , the capacitor block is disconnected from the voltage source U 0 (t);
B. Entladen: aus der Menge aller Möglichkeiten der Parallel- und Serienver- schaltung der n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks aus seriellen Stufen ns, mit 1 <= ns <= n, mit Parallelgruppen λC von Kondensatoren C, mit 1 <= λ <= n, zu jeweils einer Gesamtkapazität Cges wird mindestens eine Teilmenge einschließlich der reinen Parallel- und Serienschaltung als Menge zur Verschaltungsauswahl in dem zweiten Prozessor P11 abgelegt; während der Entladung des Kondensatorenblocks in den Verbraucher wird über die Messung der Klemmenspannung u(t) und des Entladestromes iE(t) in dem Prozessor Pn sein aktueller Widerstand RE (t) ermittelt, die Entladung eines geladenen Kondensatorenblocks in die angeschlossene Last RE (t) wird über den Prozessor Pn mit der reinen Parallelverschaltung begonnen, der die aktuelle Entladezeitkonstanten τE =RεCges zugrunde liegt, wobei eine Verschaltungsfolge mit größer werdender serieller Verschaltungsstufe ns gefahren wird, wobei bei Erreichen der unteren Grenze der Betriebsspannung UuBs der Prozessor Pn die n Kondensatoren C des Kondensatorenblocks in eine höhere serielle Stufe ns verschaltet, beim Erreichen der unteren Spannungsgrenze uref(t) = UuBs/n am Referenzkondensator Cref wird der Kondensatorenblock von der Last RE (t) getrennt;B. Discharge: from the set of all possibilities of parallel and series connection of n capacitors C of the capacitor block of serial stages n s , with 1 <= n s <= n, with parallel groups λC of capacitors C, with 1 <= λ <= n, at least one subset including the pure parallel and series circuit is stored as a set for interconnection selection in the second processor P 11 for each total capacitance C ges ; During the discharge of the capacitor block into the consumer, the measurement of the terminal voltage u (t) and the discharge current i E (t) in the processor Pn determines its current resistance R E (t), the discharge of a charged capacitor block into the connected load R E (t) is started via the processor Pn with the pure parallel connection, which is based on the current discharge time constant τ E = RεC ges , wherein a wiring sequence with increasing serial Verschaltungsstufe n s is driven, wherein upon reaching the lower limit of the operating voltage U uB If the processor Pn connects the n capacitors C of the capacitor block to a higher serial stage n s , when the lower voltage limit u ref (t) = U uB s / n at the reference capacitor C ref is reached, the capacitor block is disconnected from the load R E (t) separated;
während des Ladens und Entladens des Kondensatorenblocks wird während jeder Verschaltung bei 1 < ns < n seriellen Stufen dieduring charging and discharging of the capacitor block during each interconnection at 1 <n s <n serial stages the
Verschaltung unter Einhaltung der aktuellen Gesamtkapazität Cges zum ständigen Ladungsausgleich zwischen den Kondensatoren C mindestens einmal zyklisch umgestellt.Interconnection while maintaining the current total capacity C ges for constant charge equalization between the capacitors C cyclically changed at least once.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrer Kondensatorenblöcke beim Laden parallel an der Spannungsquelle U0 (t) und beim Entladen parallel an dem Verbraucher RE(t) liegen, wobei die Kondensatorenblöcke über ihren individuellen Prozessor P gegenseitig entkoppelt werden und dadurch unabhängig von den anderen geladen oder entladen werden.A method according to claim 1, characterized in that a plurality of capacitor blocks when charging in parallel at the voltage source U 0 (t) and during discharge parallel to the load R E (t), wherein the capacitor blocks are decoupled via their individual processor P mutually independent be loaded or unloaded by the others.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Entladen des Kondensatorenblocks von dem Prozessor Pn, von der reinen Parallelschaltung ausgehend, nach Erreichen der unterenA method according to claim 2, characterized in that when unloading the capacitor block of the processor Pn, starting from the pure parallel circuit, after reaching the lower
Betriebsspannung UuBS = oBS höchstens in die serielle Stufe ns Operating voltage U uBS = oBS at most in the serial stage n s
*5 verschaltet wird, wodurch die Anfangsspannung u(0) für die Verschaltung der seriellen Stufe ns maximal u(0) = UoBS=UN sein kann und die Klemmenspannung stets in dem Spannungsbereich:* 5, whereby the initial voltage u (0) for the interconnection of the serial stage n s can be maximally u (0) = U oBS = U N and the terminal voltage always in the voltage range:
UuBS = — ≤ "(0 ≤ UoBS n. bleibt , der Entladung die aktuelle Entladezeitkonstante τE = RE(t)Cgesaktu zugrunde liegt, wobei die obere Spannungsschranke UOBS höchstens gleich der Nennspannung UN der Kondensatoren C ist.U uBS = - ≤ "(0 ≤ U oBS n., The discharge is based on the current discharge time constant τ E = R E (t) C saktu , wherein the upper voltage limit U OBS is at most equal to the rated voltage U N of the capacitors C.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entladen eines Kondensatorenblocks in die Last RE (t) vom Prozessor Pn eine Verschaltungsfolge serieller Stufen mit monoton abnehmender Gesamtkapazität durchfahren wird, bei der die folgende Stufenzahl das Doppelte der vorangegangenen wird, nsneu =2nsall . 4. The method according to claim 3, characterized in that for discharging a capacitor block in the load R E (t) by the processor Pn a wiring sequence of serial stages with monotonically decreasing total capacity is traversed, in which the following number of stages is twice the previous, n sneu = 2n sall .
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem5. The method according to claim 4, characterized in that in the
Spannungsbereich der Klemmenspannung am Kondensatorenblock zwischen: UuBS <u(t) <UoBS =UN , zwischen vorhandenen unterschiedlichen Gesamtkapazitäten Cges einer seriellen Stufe ns umverschaltet werden kann.Voltage range of the terminal voltage at the capacitor block between: U uBS <u (t) <U oBS = U N , between different available total capacitances C ges of a serial stage n s can be switched over.
6. Ladestation zum elektrischen Laden von Kondensatorenblöcken und Verbraucher zum Entladen eines Kondensatorenblocks, wobei ein Kondensatorenblock aus n gleichen, miteinander ver- schaltbaren Kondensatoren oder Kondensatorzellen C besteht, dadurch gekennzeichnet, dass:6. A charging station for electrically charging capacitor blocks and loads for discharging a capacitor block, wherein a capacitor block consists of n equal, interconnectable capacitors or capacitor cells C, characterized in that:
die Ladestation eine Einrichtung zur Energiewandlung ist, die auf ihrer Energieentnahmeseite als Spannungsquelle mit zeitlich veränderlicher Quellengleichspannung uo(t) wirkt,the charging station is a device for energy conversion, which acts on its energy extraction side as a voltage source with time-varying source DC voltage uo (t),
der Verbraucher RE (t) mit einem geladenen Kondensatorenblock als Stromquelle in einem vorgegebenen Spannungsbereich UuBs <= u(t) <= UoBS betreibbar ist,the consumer R E (t) with a charged capacitor block as a current source in a predetermined voltage range U uB s <= u (t) <= U oBS is operable,
ein erster Prozessor P1 während des Ladens die Ladestation und den angeschlossenen Kondensatorenblock überwachungsmäßig und steuerungstechnisch koppelt, den Kondensatorenblock überwacht und die notwendige Verschaltung Cges einstellt sowie die zyklische serielle Umstellung während einer aktuellen Verschaltung steuert,a first processor P 1 during charging, the charging station and the connected capacitor block monitoring and control technology coupled, monitors the capacitor block and sets the necessary interconnection C tot and controls the cyclic serial changeover during a current interconnection,
ein zweiter Prozessor P11 während des Entladens den Verbraucher RE (t) und den angeschlossenen Kondensatorenblock koppelt, den Kondensatorenblock überwacht und die Verschaltungen einstellt sowie die zyklische Umstellung während einer aktuellen Verschaltung schaltet.a second processor P 11 during discharging couples the load R E (t) and the connected capacitor block, monitors the capacitor block and adjusts the interconnections and switches the cyclic changeover during a current interconnection.
7. Lade- und Entladestation für Kondensatorenblöcke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation eine photovol- taische Anlage ist, die einem in seiner Intensität zeitlich schwankenden Lichteinfall aussetzbar ist.7. charging and discharging station for capacitor blocks according to claim 5, characterized in that the charging station is a photovoltaic system, the one in its intensity in time fluctuating light incidence is suspendable.
8. Lade- und Entladestation für Kondensatorenblöcke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle ein elektrischer Generator mit Gleichrichter an seinem Ausgang ist und der Generator mit zeitlich nicht konstanter Drehzahl betreibbar ist. 8. charging and discharging station for capacitor blocks according to claim 6, characterized in that the voltage source is an electric generator with a rectifier at its output and the generator is operable at a time not constant speed.
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