Kondensatorenblock aus miteinander verschaltbaren Kondensatoren und Verfahren zum Be- und Entladen desselben

Die Erfindung betrifft einen Kondensatorenblock aus miteinander verschaltbaren Kondensatoren und ein Verfahren zum elektrischen Be- und Entladen desselben und ist damit in das technische Gebiet der Speicherung elektrischer Energie einzuordnen.

Das Be- und Entladen eines Kondensators ist ein bekannter, einfacher elektrophysikalischer Vorgang, der zeitlich von der Kapazität des Kondensators und dem Widerstand des angeschlossenen Ladegeräts oder angeschlossenen Last bestimmt wird.

Die in einem Kondensator eingebrachte elektrische Energie von 1/2CU ₀ ² ist bis auf eine verbleibende Ladung von l/2CU _u ² nutzbar. Das ist insbesondere von Bedeutung, wenn der Kondensator als elektrischer E- nergiespeicher zum Betrieb einer Last dient, die in einem gewissen Spannungsbereich betrieben werden muss oder nur betrieben werden kann. Die Speicherung von elektrischer Energie mit Hilfe von Kondensatoren ist mit dem Nachteil behaftet, dass die Spannung am Kondensator während der Entladung kontinuierlich abnimmt, d. h. proportional der noch vorhandenen Ladung auf dem Kondensator ist. Es kann nur ein Teil der in den Kondensator eingebrachten Energie wirtschaftlich genutzt werden. Bei der Entladung des Speicherkondensators auf 1/2U ₀ bleibt 25% der geladenen Energie auf dem Kondensator zurück.

In der DE 602 01 615 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in einem Kondensatorblock gespeicherte, bzw. eingebrachte elektrische Energie zwischen zwei elektrischen Spannungsschwellen, nämlich der Ladespannung U ₀ und einer vorgegebenen unteren Schwellenspannung U _u verfügbar zu machen.

Die Aufgabe wird durch einen Block aus n Kondensatoren oder n Kondensatorzellen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei zur Erschöpfung der in dem Kondensatorblock gespeicherten Energie ein Schaltverfahren aus sukzessiven Schaltschritten und damit aufeinander folgender Entladungsintervalle gemäß der in Anspruch 7 beschriebenen Verfahrensschritte angewendet wird.

Gemäß Anspruch 1 besteht der Kondensatorenblock aus n Kondensatoren Ci bis C _n , (3(n-l)+l) Schaltern und zwei aus dem Kondensatorblock heraus geführten Anschlussklemmen. An einem ersten, auf Bezugspotential liegenden Kondensator Ci sind drei Schalter angeschlossen. Ein Schalter ist an der auf Bezugspotential liegenden ersten Kondensatorplatte und zwei Schalter sind an der zweiten Kondensatorplatte angeschlossen. Der an der ersten Kondensatorplatte angeschlossene Schalter ist auch an der ersten Platte eines zweiten Kondensators C ₂ angeschlossen. Ein Schalter von den zwei Schaltern, die an der zweiten Platte des ersten Kondensators C ₁ angeschlossen sind, ist auch an der ersten Platte des zweiten Kondensators C ₂ und der zweite Schalter von den zweien an der zweiten Platte des zweiten Kondensators C ₂ angeschlossen. Drei weitere Schalter sind in gleicher Manier wie am ersten Kondensator Ci am zweiten Kondensator C ₂ angeschlossen und in gleicher Manier wie beim zweiten Kondensator C ₂ an einem dritten Kondensator C ₃ angeschlossen. Die weiteren Kondensatoren bis zum n-ten Kondensator reihen sich in dieser Manier ein.

An der unteren Platte des n-ten Kondensators ist der der (3(n-l)+l)- te Schalter angeschlossen und mit einer der beiden, auf Bezugspotential - meist Erdpotential - liegenden Anschlussklemmen verbunden. Die zweite Platte des n-ten Kondensators C _n ist direkt mit der zweiten Anschlussklemme verbunden. Es sitzen somit n Kondensatoren unter Zwischenschaltung dreier Schalter aufgereiht nebeneinander, wobei die obere Platte des n-ten Kondensators C _n direkt die nicht auf Bezugspo-

tential liegende Anschlussklemme kontaktiert und die zweite Anschlussklemme über den (3 (n-1) +1) -ten Schalter den je nach dem verschalteten Kondensatorblock kontaktiert. Die erste Platte des ersten Kondensators Ci liegt ebenfalls auf Bezugspotential.

Die n Kondensatoren sind über eine in einen Prozessor eingegebene Schaltersteuerung zum Betätigen der (3(n-l)+l)) Schalter von der reinen Parallelschaltung über einen jeden kombinierbaren Parallel - Serienteilblock bis zur reinen Serienschaltung in den leitenden oder sperrenden Zustand überführbar, wodurch jeweils eine diskrete Gesamtkapazität C _ges aus der Menge aller möglichen diskreten Gesamtkapazitäten schaltbar ist. Die für ein Entladungsintervall vorgegebene Verschal- tung der n Kondensatoren, ist während des Entladungsintervalls unter Beibehaltung der Gesamtkapazität zyklisch umstellbar.

Der Kondensatorblock ist an einen Prozessor/Rechner angeschlossenen und wird durch ihn betrieben und überwacht . Die Schalter werden nach in den Rechner eingegebenem Konzept in den beabsichtigten Zustand gesteuert. Das Verfahren zum Handhaben des Kondensatorblocks nach einem der Ansprüche 1 bis 6 besteht nach Anspruch 7 aus den zwei Hauptfunktionen des Aufladens mit elektrischer Energie, d. h. das Einbringen elektrischer Ladung auf die Kondensatoren, und des Entladens, d. h. des Treibens der Ladung aus dem Kondensatorblock durch eine Last R.

Zum Laden mit elektrischer Ladung wird der Kondensatorblock mit seinen beiden Klemmen an ein Ladegerät angeschlossen und mit einer für den Ladestromkreis typischen Zeitkonstanten von r,=C _ges *R _L elektrisch aufgeladen, bis in den Kondensatorblock die elektrische Ladung n eingebracht und damit darin die elektrische Energie

gespeichert wird.

In den Prozessor werden Schalterzustände abgelegt, mit denen sämtliche Kombinationen zum Verschalten der Kondensatoren von der reinen Parallelschaltung bis zur reinen Serienschaltung eingestellt werden können. Die Entladung des Kondensatorblocks wird mit der reinen Parallelschaltung der Kondensatoren begonnen, wobei dieses Entladungsintervall bis zum Erreichen einer vorgegebenen, unteren Schwellenspannung U _u an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks abläuft. Dann wird vom Prozessor der (3 (n-1) +1) -te Schalter in den sperrenden Zustand überführt und die übrigen Schalter in den zur Bildung der Gesamtkapazität Cg _es , die kleiner ist als die des vorangegangenen Entladungsintervalls, jedoch derart, dass an den beiden Anschlussklemmen des Kondensatorblocks anfänglich eine Spannung anliegt, die größer als die untere Schwellenspannung U _u ist. Nach erneutem Erreichen der unteren Schwellenspannung U _u wird vom Prozessor eine erneute Ver- schaltung der Kondensatoren zum neuen Entladungsintervall durchgeführt, wobei die Forderung der neuen kleineren Gesamtkapazität und der anfänglich höheren Klemmenspannung berücksichtigt wird. In dieser Manier läuft die Entladung des Kondensatorblocks bis jeweils auf die Klemmenspannung U _u ab, bis das letzte Entladungsintervall über die reine Serienschaltung der n Kondensatoren vom Prozessor geschaltet wird.

Die regelmäßige Ermittlung sämtlicher Parallel-Serien- Schaltungskombinationen kann beispielsweise dadurch gewonnen werden, dass zu n-k parallelen Kondensatoren k parallele Kondensatoren in Serie geschaltet werden und diese n-k Kondensatoren in weitern Schritten zu weiteren seriellen Parallelschaltung umgebaut werden, bis schließlich in einer letzten Schaltung die k Kondensatoren in Reihe zu sich und der n-k parallelen Kondensatoren sind. Dabei ist n natürlich und k ganzzahlig < n. Daraus ist eine Folge aller möglichen Gesamtkapazitäten C _ges aus n Kapazitäten herstellbar.

Aus der monoton abnehmenden Folge aller möglichen Gesamtkapazitäten kann diese oder eine monoton abnehmende Teilfolge daraus, die allerdings jedes Mal die reine Parallel- und Serienschaltung enthält, ausgewählt werden. Die dazu notwendigen Schalterzustände werden dem Prozessor einprogrammiert, der nach Erreichen der unteren Schwellenspannung U _u an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks zur nächst kleineren programmierten Gesamtkapazität schaltet.

überließe man den Kondensatorblock während eines Entladungsintervalls sich selbst, könnte es zu funktionsschädlichen Umladungen in einer momentanen Kondensatorverschaltung kommen, und zwar am schnellsten in die Teilgruppe mit kleinster Kapazität. In der Figur 5 wird das für n = 3 am Wechsel von der reinen Parallelschaltung auf die reine Serienschaltung dargestellt und unten erläutert. Um dies zu verhindern, wird während eines jeden Entladungsintervalls zwischen dem der reinen Parallelschaltung und dem der reinen Serienschaltung der Kondensatoren die Parallel-Serien-Verschaltung der Gesamtkapazität für das momentane Entladungsintervall über den Prozessor ständig unter Beibehaltung der Gesamtkapazität umgestellt. Damit werden Ladungsausgleichvorgänge zwischen einzelnen Kondensatoren / Kondensatorteilblöcken bewirkt, die die völlige Entladung eines Kondensators oder gar Umladung verhindern. Es wird so gewissermaßen eine Spannungsmittelung unter bekleidender langsamerer Spannungsabsenkung an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks betrieben.

Das Laden des Kondensatorblocks ist auf zwei Wegen möglich. Der eine ist, der Kondensatorblock wird von dem Prozessor in die reine Parallelschaltung geschaltet, um eine eventuell vorhandene Restladung Q _R bis zur Spannungsgleichheit an den Kondensatoren durch interne Ausgleichsvorgänge zu verteilen: Danach werden dann die beiden Klemmen des Kondensatorblocks an ein Ladegerät angeschlossen und mit einer für den Ladestromkreis typischen Zeitkonstanten von n elektrisch aufgeladen, bis in den Kondensatorblock die elektrische Ladung

Q ₀ = (∑C _k )U _Q , n eingebracht ist und damit die elektrische Energie gespeichert wird. Für diesen Ladevorgang ist der (3 (n-1) +1) -te Schalter in den leitenden Zustand versetzt. Diese Art Laden ist für kapazitätsmäßig verschiedne Kondensatoren C _n und für kapazitätsmäßig gleiche Kondensatoren C möglich. Im letzteren Fall wird die typische Ladezeitkonstante τ _lp =nCR _L .

Der zweite Weg zum Laden besteht, falls die Kondensatoren des Kondensatorblocks kapazitätsmäßig alle gleich sind, darin, dass die n Kondensatoren gleicher Kapazität C für das elektrische Laden vom Prozessor alle in Reihe zueinander geschaltet werden und damit die typische Ladezeitkonstante

τιs =—n ^R L besteht, wobei der Kondensatorblock bis zu der Klemmenspannung nU ₀ . aufgeladen wird.

Letztere Ladeart ist die zeitlich schnellere, erfordert dafür aber isolationstechnische Berücksichtigung, da die Spannung an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks ein Vielfaches der anfänglichen EntladungsSpannung U ₀ ist .

Die folgende Ladungs- und Speicherenergiebetrachtung verdeutlicht die vorteilhafte Ausnutzung durch die sukzessive Umschaltung von der anfänglich reinen Parallelschaltung zu der abschließenden Serienschaltung. Es ist die anfänglich in den Kondensatorblock eingebrachte Ladung n und die damit eingebrachte elektrische Energie

Am Ende der letzten Teilentladungszeit t _e ( _n -i) befindet sich im Kondensatorblock noch die Restladung

n W und damit die Restenergie von

Daraus wird schnell ersichtlich, dass durch die Kondensatorverschaltung eine hohe Entladung am Schluss der Entladung des Kondensatorblocks erreicht wird. Unten wird das für den Fall, dass alle Kondensatoren die gleiche Kapazität haben noch deutlicher.

Die Zeichnung zeigt beispielhaft einen Kondensatorblock aus n gleichen Kondensatoren C. Das ist technisch der nahe liegende Fall. Der Kondensatorblock kann aber, wie oben allgemein gezeigt, auch aus n verschiedenen Kondensatoren C _n bestehen. Allerdings beschränkt auf die Parallelladung der Kondensatoren C _n . Es zeigt: Figur 1 den Kondensatorblock,

Figur 2 eine Schaltungsfolge mit monoton abnehmende C _ges für n = 7; Figur 3 die Taktzyklen für ein ausgewähltes C _ges bei n = 7; Figur 4. eine Schaltungsfolge mit monoton abnehmende C _ges für n = 8 ; Figur 5 die Erläuterung der Umladungsproblematik für n = 3.

Der technisch einfachste Fall ist, für alle natürlichen n sei C _n = C. Dabei kann die Kapazität C ein Kondensator oder selbst ein Kondensatorblock sein.. In Figur 1 liegen n Kondensatoren C nebeneinander aufgereiht. Zwischen zwei aneinander gereihten Kondensatoren C sitzen 3 Schalter, einer erster verbindet die beiden unteren Platten der Kondensatoren C, ein zweiter die beiden oberen Platten und der dritte Schalter liegt diagonal, d. h. er liegt zwischen der oberen Platte des ersten Kondensators und der unteren Platte des Folgekondenstors . Das ist wichtig, wenn der allererste Kondensator C mit seiner untern Platte auf Bezugspotential, üblicherweise Erdpotential sitzt. Daraus ist ersichtlich, dass dazu bei n Kondensatoren C 3(n-l) Schalter notwendig sind. Der (3 (n-1) +1) -te Schalter am Ausgang des Kondensatorblocks zur auf Erdpotential liegenden Anschlussklemme ist bei der reinen Parallelschaltung im leitenden Zustand und geht bei der ersten Umschaltung zum folgenden Entladungsintervall in den sperrenden Zustand über, da dann der Kondensatorblock für die Entladung erstmalig

und weiter aus einer ersten Serienschaltungskombination besteht, nämlich die verbliebene Parallelschaltung in Reihe zu der ersten Teil- gruppe an Kondensatoren, das kann einer oder das können mehrere sein. Das geht aus oben geschilderter regelmäßiger Erzeugung hervor. Figur 2 zeigt die Situation für n = 7. Für n = 7 sind maximal 15 verschiedene Kondensatorverschaltungen von der reinen Parallelschaltung über die gemischt parallel-serielle bis zur rein seriellen Verschaltung möglich. Das entspricht einer Gesamtkapazitätenfolge von C _geg = 7C bis Cges = X/IC. Die monoton abfallende, vollständige Folge der Gesamtkapazitäten ist:

7C, 12/7C, 10/7C, 6/7C ₁ 3/4C, 3/5C, 4/7C, 5/11C, 7/17C, 2/5C, 4/13C, 3/13C, 2/11C, 1/7C.

Aus dieser Folge wird hier beispielsweise die monoton fallende Folge: 7C, 12/7C, 3/4C, 7/17C, 3/13C, 2/llC, 1/7C, ausgewählt. Normiert auf C liegt dann die Zahlenfolge: 7, 1,71, 0,75, 0,4, 0,23, 0,18, 0,14, vor, deren Glieder in Figur 2 in Verbindung mit C seitlich an der zugehörigen Schaltung geschrieben sind. Diese Schaltungsabfolge für die Entladung des Kondensatorblocks ist mit den in Figur 1 gezeigten Schalterpositionen möglich.

Figur 3 zeigt nun das Takten während der Entladung für ein C _ges = 0,75C, um Umladungen in den Schaltungsblöcken mit kleinen oder kleineren Kapazitäten zu verhindern. Dabei wird stets vom größten Parallelteilblock eine Kapazität abgeschaltet und dem kleinen oder kleineren Parallelteilblock unter Beachtung der Spannungsrichtung zur Aufladung parallel zugeschaltet . Dadurch sinkt die Klemmenspannung an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks langsamer ab und ist aufgrund des ständigen Umschaltens mit kleinem, zackenförmigem Verlauf behaftet. Für jede Gesamtkapazität außer für die reine Parallel- und Serienschaltung wird die dazu notwendige Kapazitätsschaltung in ihrer Teilblockanordnung getaktet und verhindert so Umladungen in kleinen und kleineren Kondensatorteilblöcken.

In Figur 4 wird das geradzahlige Beispiel von n = 8 auf diese Art nach Figur 1 verschaltbaren Kondensatoren gezeigt. Aus der Folge von

maximal 22 Möglichkeiten der Parallel- und Serienversschaltung, wird die in Figur 4 dargestellte und monoton abnehmende Teilfolge der Gesamtkapazitäten mit Kapazitätswert und Schaltung gezeigt. Die Taktung jeder Gesamtkapazitätsschaltung wird entsprechend obiger Schilderung über den Prozessor durchgeführt. Bis an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks die untere Spannungsschwelle U _u und die reine Serien- verschaltung erreicht wird.

Aus dieser Betrachtung ist auch ersichtlich, dass die Folge der Gesamtkapazitäten für eine Entladung des Kondensatorblocks streng monoton fallend zur reinen Serienschaltung hin sein muss. Würde man bei der Entladung zu einer größeren Gesamtkapazität weiterschalten, würde man eine AnfangsSpannung für diese Intervall von Ui + δU < Ui bekommen und der Prozessor würde aufgrund der zu kleinen Spannung an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks nicht einschalten.

Vorausbetrachtung :

Zur Wirkung der zyklischen Umschaltung während einer Entladungsphase wird kurz ansatzweise der einfache Fall der Verschaltung dreier gleicher Kapazitäten C betrachtet:

In Figur 5 ist links zunächst die Ausgangssituation der reinen Parallelschaltung dargestellt. Diese Schaltung werde über die Last R auf die untere Schwellenspannung U _u entladen und dann vom Prozessor auf die Folgeschaltung aus einem Kondensator und zwei parallelen Kondensatoren umgeschaltet, bei der die Anfangsbedingung u(0) = 2U _U besteht. Somit ergibt sich für den Strom i(t) aus dem Kondensatorblock bei Belastung:

und für die Spannung u(t) an den Anschlussklemmen während der Entladung:

u(t) =

Dabei ist die Spannung an dem unteren Block aus den zwei parallelen

Kondensatoren :

und die Spannung an dem einzelnen Kondensator in Reihe:

Die untere Spanung u _u (t) kann also in dieser Schaltung nicht negativ werden, wohl aber die obere u _o (t) . D. h. am oberen Kondensator könnte eine Umladung im oberen einzelnen Kondensator in dieser Schaltung auf maximal w _o (∞) = —U _x erfolgen.

Wird nun einer der beiden Kondensatoren C der unteren Parallelschaltung zu einem vorgegebenen Zeitpunkt t _zi parallel an den einzelnen oberen Kondensator geschaltet (Figur 4, dritte Schaltung)- das wäre ein erster zyklischer Schaltschritt während des bestehenden Entladungsintervalls - stellt sich dort folgender Ladungsausgleich ein:

Q ₀ = C(u _u Q ₂₁ ) +u ₀ (/„)) aufgrund der die AnfangsSpannung

die für endliche Zeiten stets größer null ist. Die Gesamtkapazität

2 von —C bleibt erhalten. Damit geht unmittelbar nach dem Zeitpunkt t _z i die Entladung weiter, jedoch mit neuer Anfangsspannung

Die Anfangsspannung davon ist auf jeden Fall größer null, und die

Entladung in die Last R geht weiter in exponentieller Form mit der für das Entladungsintervall typischen Zeitkonstanten von: τ = -CR

3 bis zum Ende diese Zyklusintervalls t _z2 , nach dem für diese Gesamtka-

2 pazität von —C ein voller Zyklus durchlaufen wäre. Ist schließlich die reine Serienschaltung der Kondensatoren im Kondensatorblock erreicht werden die Kondensatoren nicht mehr zyklisch vertauscht, da jeder Kondensator eine gleiche Spannungsrichtung wie die übrigen aufweist und die Gesamtentladung mit der kleinsten Zeitkonstante von hier τ = -CR

3 abläuft.

Die zyklische Umschaltung einer bestehenden Gesamtkapazität verhindert Umladungen an Kondensatorblöcken mit kleinerer Kapazität wie ein angeschlossener größerer Kondensatorblock. Damit sind auch Elektrolytkondensatoren als kapazitive Energiespeicherelemente einsetzbar.

Die abschließende Ladungs- bzw. Kapazitätsausnutzung für sieben gleiche Kondensatoren C verdeutlicht die vorteilhafte Ladungsausnutzung bzw. Ausnutzung der gespeicherten elektrischen Energie: Die verbleibende Restladung nach dem erstmaligen Erreichen der unteren Spannungsschwelle ist bei der reinen Parallelschaltung Q _RLP = 7*CUi, die verbleibende Restladung bei der Serienschaltung ist QRL _S =

Der kapazitive Energiespeicher wird durch Umschaltung bis auf QR/Q _π = l/n ² *Ui/U ₀ = l/49*Ui/U ₀ geleert, d. H. Eine Restladung von Q _R = l/n ² *Ui/U ₀ = l/49*Ui/U _0* Qn verbleibt in dem auf die untere Klemmenspannung entladenen Kondensatorblock. Es wird dadurch bis auf die verbleibende Restenergie von E _R = l/n ² * (Ui/U ₀ ) ² *E _A in die angeschlossene Last R eingespeist.