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DE10326934A1 - Symmetrical circuit for use with a regenerative electrical energy storage module on a road vehicle - Google Patents

Symmetrical circuit for use with a regenerative electrical energy storage module on a road vehicle Download PDF

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DE10326934A1
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Symmetrierschaltung für eine Reihe geschaltete Energiespeicherelemente, bei der parallel zu jedem Energiespeicherelement eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und mindestens einer Diode geschaltet ist.The The invention relates to a balancing circuit for a series of switched energy storage elements, with a series connection parallel to each energy storage element is connected from a resistor and at least one diode.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete Energiespeicherelemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a balancing circuit for energy storage elements connected in series according to the generic term of claim 1.

Elektrische Energiespeicherelemente verfügen über eine Klemmenspannung und eine Kapazität, die durch die Konstruktion des Energiespeichers bestimmt ist. Durch eine Reihenschaltung mehrerer Energiespeicherelemente zu einem Energiespeichermodul kann die Klemmenspannung entsprechend der bestehenden Anforderung vervielfacht werden.electrical Energy storage elements have a Terminal voltage and a capacitance which is determined by the construction of the energy storage. By a series connection of several energy storage elements to form an energy storage module can the terminal voltage according to the existing requirement be multiplied.

Durch Exemplarstreuungen oder durch Alterung weichen die Kapazitätswerte der einzelnen Energiespeicherelemente von einander ab. Bei einem als Kondensator ausgebildeten Energiespeicherelement ist nach

Figure 00010001
die transportierte Ladung q(t) proportional zur Klemmenspannung u(t), so dass beim Laden der in Reihe geschalteter Kondensatoren an dem Kondensator mit der kleinsten Kapazität die höchste Spannung anliegt. Dabei kann die zulässige Klemmenspannung überschritten werden, wodurch der die kleinste Kapazität aufweisende Kondensator zerstört werden kann.The capacitance values of the individual energy storage elements deviate from one another due to specimen scatter or aging. In the case of an energy storage element designed as a capacitor, after
Figure 00010001
the transported charge q (t) proportional to the terminal voltage u (t), so that when the capacitors connected in series are charged, the capacitor with the smallest capacitance has the highest voltage. The permissible terminal voltage can be exceeded, as a result of which the capacitor with the smallest capacitance can be destroyed.

Als Energiespeicherelement können vorteilhaft Doppelschichtkondensatoren verwendet werden, die sich durch eine hohe Zahl von Lade- und Endladezyklen auszeichnen. Nachteilig sind bei Doppelschichtkondensatoren die hohe Selbstentladungsrate sowie die hohen Exemplarstreuungen bei der Klemmenspannung und der dazu proportionalen Kapazität.As Energy storage element can advantageous double-layer capacitors are used characterized by a high number of charge and end charge cycles. adversely are the high self-discharge rate for double layer capacitors as well as the high variance in the clamping voltage and the capacity proportional to this.

Eine Möglichkeit Schäden an in Reihe geschalteten, eine unterschiedliche Klemmenspannung aufweisenden Energiespeicherelementen zu vermeiden ist das beschalten der Energiespeicherelemente mit einer Schaltungsanordnung, durch welche die Klemmenspannungen der Energiespeicherelemente symmetriert werden.A possibility damage connected in series, with a different terminal voltage Avoid connecting the energy storage elements to the energy storage elements a circuit arrangement through which the terminal voltages of the Energy storage elements are symmetrized.

Die einfachste Schaltungsanordnung zum Symmetrieren unterschiedlicher Klemmenspannungen von Energiespeicherelementen besteht in Widerständen, die jedem Energiespeicherelement parallel geschaltet werden.The simplest circuit arrangement for balancing different ones Terminal voltages of energy storage elements consist of resistances that each energy storage element can be connected in parallel.

Der Nachteil dieser Symmetrierschaltung besteht in der permanenten Verlustleistung, die durch die Widerstände verursacht wird, und die eine stetige Entladung der Energiespeicherelemente bewirkt.The The disadvantage of this balancing circuit is the permanent power loss, through the resistors is caused, and the continuous discharge of the energy storage elements causes.

Alternativ kann mittels einer entsprechend aufwendigen Schaltungsanordnung eine aktive Symmetrierung der Energiespeicherelemente durchgeführt werden, wie es beispielsweise in der DE 100 39 407 A1 beschrieben ist.Alternatively, active balancing of the energy storage elements can be carried out by means of a correspondingly complex circuit arrangement, as is shown, for example, in FIG DE 100 39 407 A1 is described.

Der Nachteil dieser sehr effektiven Symmetrierschaltung besteht in den kostspieligen Bestandteilen der Schaltungsanordnung, deren benötige Stückzahl gleich der Anzahl der zu symmetrierenden Energiespeicherelemente eines Speichermoduls ist.The The disadvantage of this very effective balancing circuit is that costly components of the circuit arrangement, the required number of pieces equal the number of energy storage elements to be symmetrized Memory module is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete Energiespeicherelemente gemäß dem Oberbegriff es Patentanspruchs 1 anzugeben, durch welche die Selbstentladungsrate der Energiespeicherelemente reduziert wird, und die kostengünstig herzustellen ist.The The invention has for its object a balancing circuit for in series switched energy storage elements according to the preamble of claim 1 specify by which the self-discharge rate of the energy storage elements is reduced will, and the inexpensive is to be produced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach parallel zu jedem Energiespeicherelement eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und mindestens einer Diode geschaltet ist.This The object is achieved by the Features solved in the characterizing part of claim 1, after which in parallel with each energy storage element a resistor and at least one diode is connected.

Die mindestens eine Diode kann vorteilhaft als genau eine Zenerdiode ausgebildet sein, wobei die Zenerdiode in Sperrrichtung parallel zu dem Energiespeicherelement geschaltet ist. Die Durchbruchspannung, häufig auch Zenerspannung genannt, bei der die Zenerdioden in Sperrrichtung leitend werden, ist so gewählt, dass die Durchbruchspannung gleich der gewünschten Maximalspannung der Energiespeicherelemente ist. Weist ein Energiespeicherelement eine über der Durchbruchspannung liegende Klemmenspannung auf, wird die Zenerdiode leitend, wodurch die überschüssige Energie des Energiespeicherelementes an dem Widerstand in Wärme umgewandelt wird.The at least one diode can advantageously be used as exactly one zener diode be formed, the Zener diode parallel in the reverse direction is connected to the energy storage element. The breakdown voltage, frequently also called Zener voltage, in which the Zener diodes in reverse direction to become a leader is chosen that the breakdown voltage is equal to the desired maximum voltage of the Energy storage elements is. An energy storage element has one above the breakdown voltage lying terminal voltage, the Zener diode becomes conductive, whereby the excess energy of the energy storage element is converted into heat at the resistor becomes.

Die Summe der Durchbruchsspannungen aller den Energiespeicherelementen parallel geschalteten Zenerdioden muss dabei größer sein als die Klemmenspannung einer den Energiespeicherelementen parallel geschalteten Gleichspannungsquelle, da sich die Gleichspannungsquelle sonst über die den Energiespeicherelementen parallel geschalteten Widerstände entladen würde.The Sum of the breakdown voltages of all the energy storage elements Zener diodes connected in parallel must be greater than the terminal voltage a DC voltage source connected in parallel with the energy storage elements, since the DC voltage source is otherwise via the energy storage elements resistors connected in parallel would discharge.

Eine derartige Gleichspannungsquelle wird bei einem Kraftfahrzeug von der Bordbatterie gebildet.A such a DC voltage source is used in a motor vehicle by the on-board battery formed.

Die mindestens eine Diode kann alternativ als mehrere in Reihe geschaltete Flächendioden ausgebildet sein, wobei die Flächendioden in Durchlassrichtung parallel zu dem Energiespeicherelement geschaltet sind. Dabei wird ausgenutzt, dass Flächendioden einen Spannungsabfall von beispielsweise 0,7 Volt verursachen, wobei genau so viele Flächendioden in Reihe geschaltet werden, bis der an den Flächendioden verursachte Spannungsabfall gleich der gewünschten Maximalspannung der Energiespeicherelemente ist.The at least one diode can alternatively be designed as a plurality of surface diodes connected in series, the surface diodes being in through direction are connected in parallel to the energy storage element. This takes advantage of the fact that surface diodes cause a voltage drop of, for example, 0.7 volts, with just as many surface diodes being connected in series until the voltage drop caused at the surface diodes is equal to the desired maximum voltage of the energy storage elements.

Der in Summe von den Flächendioden, die den Energiespeicherelementen parallel geschaltet sind, verursachte Spannungsabfall muss größer sein als die Klemmenspannung einer den Energiespeicherelementen parallel geschalteten Gleichspannungsquelle.The in total from the area diodes, which are connected in parallel to the energy storage elements Voltage drop must be greater than the terminal voltage of one of the energy storage elements in parallel switched DC voltage source.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiespeicherelemente als Doppelschichtkondensatoren ausgebildet sind.In An advantageous development of the invention is provided that the energy storage elements as double layer capacitors are trained.

Durch eine derartig ausgeführte Symmetrierschaltung zum Symmetrieren unterschiedlicher Klemmenspannungen von Energiespeicherelementen wird die Selbstentladungsrate wirksam reduziert, wobei die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kostengünstig herzustellen ist.By one executed in this way Balancing circuit for balancing different terminal voltages the self-discharge rate of energy storage elements becomes effective reduced, the circuit arrangement according to the invention being inexpensive to manufacture is.

Im folgenden ist die erfindungsgemäße Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete Energiespeicherelemente anhand von zwei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit zwei Figuren dargestellt und erläutert.in the the following is the balancing circuit according to the invention for in Series-connected energy storage elements using two exemplary embodiments shown and explained in connection with two figures.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung der Symmetrierschaltung, bei der Doppelschichtkondensatoren eine Reihenschaltung aus einer Zenerdioden und einem Widerständen parallel geschaltet sind, 1 1 shows a schematic representation of the balancing circuit in which double-layer capacitors have a series circuit comprising a Zener diode and a resistor connected in parallel,

2 eine schematische Darstellung der Symmetrierschaltung, bei der Doppelschichtkondensatoren eine Reihenschaltung aus drei Flächendioden und einem Widerständen parallel geschaltet sind. 2 is a schematic representation of the balun, in which double layer capacitors are connected in parallel a series connection of three surface diodes and a resistor.

Ein Kraftfahrzeug mit einer einen Generator aufweisenden Brennkraftmaschine ist mit einer Vorrichtung ausgestattet, durch welche der Generator beim Abbremsen des Kraftfahrzeug angetrieben wird. Die dabei erzeugte elektrische Energie wird in einem Energiespeichermodul gespeichert. Beim Anfahren des Kraftfahrzeugs wird dem Generator die im Energiespeichermodul gespeicherten elektrischen Energie zugeführt, wodurch die Brennkraftmaschine entlastet und Kraftstoff gespart wird.On Motor vehicle with an internal combustion engine having a generator is equipped with a device through which the generator at Braking the motor vehicle is driven. The generated electrical energy is stored in an energy storage module. When starting the motor vehicle, the generator in the energy storage module Stored electrical energy supplied, which relieves the internal combustion engine and fuel is saved.

Das Energiespeichermodul besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherelementen, die parallel zum Generator geschaltet werden. Als Energiespeicherelemente werden Doppelschichtkondensatoren verwendet, die sich durch eine hohe Zahl von Lade- und Endladezyklen auszeichnen. Aufgrund von Herstellungsbedingten Exemplarstreuungen weisen Doppelschichtkondensatoren im voll geladenem Zustand Klemmenspannungen von 2,5 Volt bis 3,0 Volt auf. Bei einem 42 Volt Generator werden siebzehn Doppelschichtkondensatoren zu einem Energiespeichermodul in Reihe geschaltet, die durch eine Symmetrierschaltung auf eine maximale Klemmenspannung von 2,5 Volt symmetriert werden. Durch das Symmetrieren wird vermieden, dass in der Reihenschaltung kein Doppelschichtkondensator dauerhaft mit einer unzulässig hohen Klemmenspannung belastet wird.The Energy storage module consists of several connected in series Energy storage elements connected in parallel to the generator become. Double-layer capacitors are used as energy storage elements used, which is characterized by a high number of charging and discharging cycles distinguished. Due to manufacturing-related copy variations have double-layer capacitors in the fully charged state of terminal voltages from 2.5 volts to 3.0 volts. With a 42 volt generator seventeen double layer capacitors to an energy storage module connected in series by a balun on a maximum terminal voltage of 2.5 volts can be balanced. By the balancing is avoided that no in the series connection Double layer capacitor permanently with an impermissibly high Terminal voltage is loaded.

Als Symmetrieschaltung wird jedem Doppelschichtkondensator eine Schaltungsanordnung parallel geschaltet, die aus der Reihenschaltung eines Widerstandes und mindestens einer Diode besteht.As Symmetry circuit is a circuit arrangement for each double layer capacitor connected in parallel, from the series connection of a resistor and at least one diode.

1 zeigt eine schematische Darstellung der Schaltungsanordnung des Kraftfahrzeugs, bei der dem Generator 2 das Energiespeichemodul 1 parallel geschaltet ist. Über einen als Spannungswandler arbeitender DC/DC-Wandler 6 sind dem Generator 2 und dem Energiespeichermodul 1 eine 12 Volt Bordbatterie 4 als Gleichspannungsquelle sowie zuschaltbare 12 Volt Verbraucher 5 parallel geschaltet. 1 shows a schematic representation of the circuit arrangement of the motor vehicle, in which the generator 2 the energy storage module 1 is connected in parallel. Via a DC / DC converter working as a voltage converter 6 are the generator 2 and the energy storage module 1 a 12 volt on-board battery 4 as a direct voltage source and switchable 12 volt consumer 5 connected in parallel.

Jedem der siebzehn Doppelschichtkondensatoren 3 des Energiespeichermoduls 1 ist als Symmetrierschaltung eine Reihenschaltung aus einem 100 Ohm Widerstand 7 und einer Zenerdiode 8 parallel geschaltet.Each of the seventeen double layer capacitors 3 of the energy storage module 1 is a series circuit consisting of a 100 ohm resistor as a balun 7 and a zener diode 8th connected in parallel.

Die Zenerdiode 8 ist dabei in Sperrrichtung zum jeweiligen Doppelschichtkondensator 3 geschaltet. Die Durchbruchspannung der verwendeten Zenerdioden 8 beträgt 2,5 Volt. Weist ein Doppelschichtkondensator 3 eine über der Durchbruchspannung von 2,5 Volt liegende Klemmenspannung auf, wird die Zenerdiode 8 leitend, wodurch solange elektrische Energie aus dem Doppelschichtkondensator 3 an dem 100 Ohm Widerstand 7 in Wärme umgewandelt wird, bis die Klemmenspannung des Doppelschichtkondensators 3 auf 2,5 Volt gefallen ist.The zener diode 8th is in the reverse direction to the respective double layer capacitor 3 connected. The breakdown voltage of the Zener diodes used 8th is 2.5 volts. Has a double layer capacitor 3 a terminal voltage above the breakdown voltage of 2.5 volts becomes the zener diode 8th conductive, as long as electrical energy from the double layer capacitor 3 at the 100 ohm resistor 7 is converted into heat until the terminal voltage of the double layer capacitor 3 has dropped to 2.5 volts.

Die Summe der Durchbruchsspannungen der siebzehn den Doppelschichtkondensatoren 3 des Energiespeichermoduls 1 parallel geschalteten Zenerdioden 8 beträgt 42,5 Volt, wodurch es nicht zu einer Entladung der Bordbatterie 4 an den siebzehn 100 Ohm Widerständen 7 kommen kann.The sum of the breakdown voltages of the seventeen double layer capacitors 3 of the energy storage module 1 Zener diodes connected in parallel 8th is 42.5 volts, which does not lead to a discharge of the on-board battery 4 on the seventeen 100 ohm resistors 7 can come.

2 zeigt eine alternative Ausführungsform der den Doppelschichtkondensatoren 3 parallel geschalteten Symmetrierschaltung, wobei die Dargestellte Schaltungsanordnung des Kraftfahrzeugs der Darstellung der 1 entspricht. Jedem der siebzehn Doppelschichtkondensatoren 3 des Energiespeichermoduls 1 ist als Symmetrierschaltung eine Reihenschaltung aus vier Flächendioden 9 und einem 100 Ohm Widerstandes 7 parallel geschaltet. Die vier Flächendioden 9 sind dabei in Durchlassrichtung zum jeweiligen Doppelschichtkondensator 3 geschaltet. 2 shows an alternative embodiment of the double layer capacitors 3 parallel switched balancing circuit, the circuit arrangement shown of the motor vehicle depicting the 1 equivalent. Each of the seventeen double layer capacitors 3 of the energy storage module 1 is a series connection of four surface diodes as a balun 9 and a 100 ohm resistor 7 connected in parallel. The four surface diodes 9 are in the forward direction to the respective double layer capacitor 3 connected.

Bei dieser Schaltungsanordnung wird ausgenutzt, dass jede der vier Flächendioden 9 einen Spannungsabfall von 0,625 Volt verursacht, wodurch die vier Flächendioden 9 in der Summe einen Spannungsabfall von 2,5 Volt bewirken. Überschreitet ein Doppelschichtkondensator 3 eine Klemmenspannung von 2,5 Volt, werden die vier Flächendioden 9 leitend, wodurch solange elektrische Energie aus dem jeweiligen Doppelschichtkondensator 3 an dem 100 Ohm Widerstand 7 in Wärme umgewandelt wird, bis die Klemmenspannung des Doppelschichtkondensators 3 auf 2,5 Volt gefallen ist.This circuit arrangement makes use of the fact that each of the four surface diodes 9 caused a voltage drop of 0.625 volts, causing the four surface diodes 9 cause a total voltage drop of 2.5 volts. Exceeds a double layer capacitor 3 a terminal voltage of 2.5 volts, the four surface diodes 9 conductive, as long as electrical energy from the respective double layer capacitor 3 at the 100 ohm resistor 7 is converted into heat until the terminal voltage of the double layer capacitor 3 has dropped to 2.5 volts.

Den siebzehn Doppelschichtkondensatoren 3 des Energiespeichermoduls 1 sind in Summe 68 Flächendioden 9 parallel geschaltet, die zusammen einen Spannungsabfall von 42,5 Volt bewirken. Dadurch ist eine Entladen der Bordbatterie 4 über die 100 Ohm Widerstände 7 der Symmetrierschaltung ausgeschossen.The seventeen double layer capacitors 3 of the energy storage module 1 are a total of 68 area diodes 9 connected in parallel, which together cause a voltage drop of 42.5 volts. This will discharge the on-board battery 4 over the 100 ohm resistors 7 the balancing circuit imposed.

Durch die den Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltete Reihenschaltung aus einer Zenerdiode oder vier Flächendioden und einem Widerstand werden die Doppelschichtkondensatoren des Energiemoduls auf kostengünstige Weise symmetriert, wodurch die Doppelschichtkondensatoren vor einer Überladung geschützt und die Selbstentladungsrate der wirksam reduziert wird.By the series circuit connected in parallel with the double-layer capacitors from a zener diode or four surface diodes and a resistor become the double layer capacitors of the energy module in an inexpensive way symmetrizes, causing the double layer capacitors from overcharging protected and the self-discharge rate that is effectively reduced.

Claims (7)

Symmetrierschaltung für in Reihe geschaltete Energiespeicherelemente, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu jedem Energiespeicherelement eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (7) und mindestens einer Diode geschaltet ist.Symmetry circuit for series-connected energy storage elements, characterized in that a series circuit consisting of a resistor ( 7 ) and at least one diode is connected. Symmetrierschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Diode als Zenerdiode (8) ausgebildet ist, dass die Zenerdiode (8) in Sperrrichtung parallel zu dem Energiespeicherelement geschaltet ist.Balancing circuit according to claim 1, characterized in that the at least one diode as a Zener diode ( 8th ) that the Zener diode ( 8th ) is connected in the blocking direction parallel to the energy storage element. Symmetrierschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Energiespeicherelementen eine Gleichspannungsquelle parallel geschaltet ist, und dass die Summe der Durchbruchsspannungen der den Energiespeicherelementen parallel geschalteten Zenerdioden (8) größer als die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle ist.Balancing circuit according to Claim 2, characterized in that a DC voltage source is connected in parallel to the energy storage elements, and in that the sum of the breakdown voltages of the Zener diodes connected in parallel with the energy storage elements ( 8th ) is greater than the terminal voltage of the DC voltage source. Symmetrierschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Reihe geschaltete Flächendioden (9) vorgesehen sind, und dass die Flächendioden (9) in Durchlassrichtung parallel zu dem Energiespeicherelement geschaltet sind.Balancing circuit according to Claim 1, characterized in that a plurality of surface diodes ( 9 ) are provided, and that the surface diodes ( 9 ) are connected in parallel to the energy storage element in the forward direction. Symmetrierschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Energiespeicherelementen eine Gleichspannungsquelle parallel geschaltet ist, und dass die Summe der Spannungsabfälle der den Energiespeicherelementen parallel geschalteten Flächendioden (9) größer als die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle ist.Balancing circuit according to Claim 4, characterized in that a DC voltage source is connected in parallel to the energy storage elements, and in that the sum of the voltage drops in the area diodes (which are connected in parallel with the energy storage elements) 9 ) is greater than the terminal voltage of the DC voltage source. Symmetrierschaltung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle die Bordbatterie (4) eines Kraftfahrzeugs ist.Balancing circuit according to claim 3 or 5, characterized in that the DC voltage source the on-board battery ( 4 ) of a motor vehicle. Symmetrierschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherelemente als Doppelschichtkondensatoren (3) ausgebildet sind.Balancing circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the energy storage elements as double-layer capacitors ( 3 ) are trained.
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