DE60023772T2

DE60023772T2 - Vorrichtung mit mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren und Verfahren zur Einstellung der Kondensatorspannungen

Info

Publication number: DE60023772T2
Application number: DE60023772T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tsurumi-ku Ohta
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: US6316917B1; EP1035627A1; DE60023772D1; EP1035627B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung oder ein System mit einem elektrischen Doppelschichtkondensator, enthaltend eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren, und auf ein Verfahren zum Einstellen von Spannungen der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren.
Beschreibung des Standes der Technik
Strom- bzw. Leistungszufuhren, welche eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren umfassen bzw. enthalten, sind in U.S. Patent 5,783,928 (nachfolgend als das "'928 Patent" bezeichnet), mit dem Titel "Storage Capacitor Power Supply"; U.S. Patent 5,982,050 (nachfolgend als das "'050 Patent" bezeichnet), mit dem Titel "Power Supply Unit For Automotive Vehicle"; U.S. Patent 5,932,932 (nachfolgend als das "'932 Patent" bezeichnet"), mit dem Titel "Storage battery voltage control apparatus"; und der nicht geprüften Japanischen Patentpublikation (Kokai) 10-201091 (nachfolgend als die "'091 Publikation" bezeichnet), mit dem Titel "Power Supply Unit For Automotive Vehicle Utilizing Electric Double Layer Capacitors" geoffenbart.
In einer Vorrichtung mit einem elektrischen Doppelschichtkondensator, wie sie in dem '928 Patent geoffenbart ist, beinhaltet bezugnehmend auf 13, eine Vorrichtung mit einem elektrischen Doppelschichtkondensator eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren 1 (die nachfolgend als eine "Zelle" oder "Zellen" bezeichnet sind bzw. werden). Jede Zelle 1 hat eine Strombypass- bzw. -abzweigschaltung 16, welche mit jeder Zelle 1 parallel geschaltet ist. Eine Betriebsspannung des Nebenschlußreglers 7 ist auf eine maximale Ladespannung (V_u) der Zelle 1 durch Einstellen eines Verhältnisses eines Widerstands der Widerstände (13 und 15) eingestellt. Wenn die Spannung zwischen dem positiven und negativen Polanschluß (3A und 3B) der Zelle 1 gleich der maximalen Ladespannung (V_u) ist, schaltet der Nebenschlußregler 7 ein, und daher fließt ein Strom zu dem Widerstand 5. Dementsprechend schaltet ein PNP-Transister 9 ein und hindert alle Kondensatoren, daß sie mit Spannungen gespeist werden, die eine maximale Ladespannung übersteigen.
In 13 ist angenommen, daß ein Kondensator (C1) der Zelle (1a) 1000 (F) ist, ein Kondensator (C2) der Zelle (1b) 1150 (F) ist und ein Ladestrom konstant bei 10 (A) ist. Weiters sind Anfangsspannungen der Zellen (1a und 1b) gleich Null (V) und die maximale Ladespannung (V_u) ist bzw. wird auf 2,5 (V) und gleich einer einheitlichen bzw. gleichmäßigen Spannung festgelegt.
Bezugnehmend auf 14 wird die Spannung der Zelle (1a), welche eine kleinere Kapazität aufweist, die maximale Ladespannung (V_H) bei (t1), bevor die Spannung der Zelle (1b) die maximale Ladespannung (V_H) wird. Dann wird die Spannung der Zelle (1b) die maximale Ladespannung (V_H) bei (t2), welches nach (t1) um (Δt) liegt. (Δt) wird etwa wie folgt berechnet: Δt = (C2 – C1)·VH/I = 37,5 Sekunden.
Wärme von etwa 25 (W) wird in der Bypaß- bzw. Nebenschaltung (16) generiert, wenn ein Bypaßstrom für den Zeitraum Δt fließt.
Das '050 Patent offenbart eine Stromversorgungseinheit, welche eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren und eine Mehrzahl von Strombypaß- bzw. -nebenschaltungen, welche mit jeder Zelle jeweils parallel verbunden sind. Jede Schaltung hat eine Zener-Diode. Die Spannung von jeder Zelle ist im wesentlichen eingestellt, um die Zener-Spannung zu sein.
Die '091 Referenz offenbart eine Strom- bzw. Leistungsquelle, welche eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren und eine Mehrzahl von Entladeschaltungen enthält, um die Spannung von jeder Zelle einzustellen. Jede Entladeschaltung ist mit jeder Zelle parallel über einen Schalter verbunden. Wenn ein zusätzlicher bzw. Zusatzgerät-Schalter eines Autos eingeschaltet wird, verbindet jeder Schalter jede Entladeschaltung mit jeder Zelle. Dementsprechend wird die Spannung von jeder Zelle eingestellt. Jeder Schalter kann händisch eingeschaltet werden, um jede Zelle zu entladen, nachdem der Motor gestoppt wurde.
Die '932 Referenz offenbart eine Speicherbatterie-Spannungssteuer- bzw. -regelvorrichtung, welche eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren und eine spannungskorrigierende Speicherbatterie über Schalter und einen einen Strom beschränkenden Widerstand enthält. Um die Spannung von jeder Zelle einzustellen, können die Spannungen von jeder der Speicherbatteriezellen, die hoch in der Span nung ist, durch ein Transferieren der Ladung zu einer Speicherbatteriezelle vergleichmäßigt werden, die niedrig in der Spannung ist.
Aus US-A-5,713,426 ist Hybridfahrzeug bekannt, bei welchem elektrische Leistung, welche durch einen Generator generiert bzw. erzeugt wird, einer Batterie über eine Ladeeinheit zugeführt wird, die eine Konstant-Strom-Charakteristik aufweist, um die Batterie wieder zu laden. Die Ladeeinheit bzw. -einrichtung kann hauptsächlich aus einem stromausgabeartigen Schaltregulator bestehen. Die Batterie besteht aus elektrischen Doppelschichtkondensatoren mit großer Kapazität, welche in Serie verbunden bzw. angeschlossen sind und an welche jeweils eine Spannung vergleichmäßigende Mittel eingeschlossen sind. Die die Spannung vergleichmäßigenden Mittel sind Zweigleitungen bzw. Bypasses, welche mit den entsprechenden Doppelschichtkondensatoren parallel verbunden sind.
Aus WO-A-99/05767 sind ein Vergleichmäßigungs- bzw. Equalizersystem und ein Verfahren für in Serie verbundene Energievorrichtungen bekannt, bei welchen eine vergleichmäßigende bzw. Ausgleichsschaltung mit einer Energiespeichervorrichtung parallel verbunden ist. Die Ausgleichsschaltung gleicht das Potential von jeder der elektrochemischen Zellen auf innerhalb eine vorbestimmte Spannungseinstelltoleranz während eines Ladens aus, und wenn dies notwendig ist, bevor ein Laden begonnen wird. Ein Vergleichmäßigen bzw. Ausgleichen eines Zellpotentials kann zu dem Ende eines Ladezyklus oder während des Ladezyklus ausgeführt werden.
Es ist das Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die mehrere elektrische Doppelschichtkondensatoren aufweist, und ein Verfahren zum Einstellen der Spannung der Kondensatoren zur Verfügung zu stellen, welche Wärme- und Energieverlustprobleme vermeiden, welche aufgrund eines Abzweigens des Ladestroms in Schaltungen resultieren, die parallel mit Energiespeichervorrichtungen des Standes der Technik verbunden sind.
Das Problem wird durch eine elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung gemäß Anspruch 2, durch ein Verfahren zum Einstellen der Spannung, wie es in Anspruch 12 definiert ist, durch eine Spannungssteuer- bzw. -regelschaltung, wie dies in Anspruch 1 beschrieben ist, und durch ein Verfahren einer Verwendung gemäß Anspruch 13 gelöst. Bevorzugte Ausbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung oder ein System mit elektrischen Doppelschichtkondensatoren zur Verfügung gestellt, umfassend bzw. enthaltend eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren, die in Serie verbunden bzw. angeschlossen sind, wenigstens einen Satz einer Spannungsdetektionsvorrichtung und einer Entladevorrichtung, und eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung bzw. einen Controller. Der wenigstens eine Satz ist an wenigstens einem aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zur Verfügung gestellt. Die Spannungsdetektionsvorrichtung ist konfiguriert, um eine Anschlußspannung des wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu detektieren. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung ist konfiguriert, um Strom zum Laden der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu stoppen, wenn die durch die Spannungsdetektionsvorrichtung detektierte Anschlußspannung eine maximale Ladespannung erreicht. Die Entladevorrichtung ist konfiguriert, um den wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren derart zu entladen, daß die Anschlußspannung zu einem vorbestimmten Zielwert abfällt, welche niedriger als die maximale Ladespannung ist, wenn die Anschlußspannung höher als die vorbestimmte Zielspannung ist, und die Entladevorrichtung ist konfiguriert, um nicht den wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu entladen, wenn die Anschlußspannung gleich oder niedriger als die vorbestimmte Zielspannung ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zum Einstellen von Spannungen einer Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren ein Laden der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren, welche in Serie verbunden bzw. angeschlossen werden; ein Detektieren einer Anschlußspannung von wenigstens einem der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren; ein Stoppen eines Ladens bzw. Beladens der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren, wenn bestimmt wird, daß die Anschlußspannung gleich wie oder höher als eine maximale Ladespannung ist; ein Entladen des wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren, so daß die Anschlußspannung zu einer vorbestimmten Zielspannung abfällt, welche niedriger als die maximale Ladespannung ist, wenn die Anschlußspannung höher als die vorbestimmte Zielspannung ist; und ein Verhindern eines Entladens des wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren, so daß die An schlußspannung aufrecht erhalten wird, wenn die Anschlußspannung gleich wie oder niedriger als die vorbestimmte Zielspannung ist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet eine Spannungssteuer- bzw. -regelschaltung für eine elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung, welche eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren umfaßt, die in Serie verbunden bzw. angeschlossen sind, wenigstens eine Spannungsdetektionsschaltung, eine Steuer- bzw. Regelschaltung, wenigstens eine elektrische Entladeschaltung. Die wenigstens eine Spannungsdetektionsschaltung ist konfiguriert, um eine Kontakt- bzw. Anschlußspannung von wenigstens einem aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu detektieren. Die Steuer- bzw. Regelschaltung ist konfiguriert, um ein Laden der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu beenden, wenn basierend auf der detektierten Anschlußspannung bestimmt ist bzw. wird, daß die Spannung von wenigstens einem aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren gleich oder höher als eine maximale Ladespannung ist. Die wenigstens eine elektrische Entladeschaltung ist entsprechend der wenigstens einen Spannungsdetektionsschaltung zur Verfügung gestellt. Die wenigstens eine elektrische Entladeschaltung ist konfiguriert, um Elektrizität zu entladen, die in Einstellkondensatoren unter der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren geladen ist, so daß eine Spannung von jedem der Einstellkondensatoren zu einem vorbestimmten Zielwert abfällt, welcher niedriger als die maximale Ladespannung ist, wenn die Anschlußspannung höher als die vorbestimmte Zielspannung ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet eine Verwendung eines elektrischen Doppelschichtkondensators für ein System einen Motor, der konfiguriert ist, um das System zu betreiben, eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren, die in Serie verbunden sind und konfiguriert sind, um Leistung zu dem Motor zuzuführen, wenigstens einen Satz einer Spannungsdetektionsvorrichtung und einer Entladevorrichtung und eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung bzw. einen Controller. Der wenigstens eine Satz ist an wenigstens einem der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zur Verfügung gestellt. Die Spannungsdetektionsvorrichtung ist konfiguriert, um eine Anschlußspannung des wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu detektieren. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung ist konfiguriert, um einen Strom für ein Laden der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu stoppen, wenn die Anschlußspannung, die durch die Spannungsdetektionsvorrichtung detektiert ist bzw. wird, eine maximale Ladespannung erreicht. Die Entladevorrichtung ist konfiguriert, um den wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu entladen, so daß die Anschlußspannung zu einer vorbestimmten Zielspannung abfällt, welche niedriger als die maximale Ladespannung ist, wenn die Anschlußspannung höher als die vorbestimmte Zielspannung ist, und die Entladevorrichtung ist konfiguriert, um nicht den wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu entladen, wenn die Anschlußspannung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Zielwert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein kompletteres Erkenntnis der Erfindung und zahlreicher der begleitenden Vorteile derselben wird unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung leicht ersichtlich werden, insbesondere wenn sie in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, in welchen:
1 ein Blockdiagramm ist, das eine Vorrichtung mit elektrischen Doppelschichtkondensatoren gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Graph ist, der Änderungen von Spannungen (V_a und V_b) von Zellen der elektrischen Doppelschichtkondensator-Vorrichtung zeigt, die in 1 gezeigt ist;
3 ein Blockdiagramm ist, das eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ein Blockdiagramm ist, das eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein Blockdiagramm ist, das eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ein Graph ist, der Änderungen von Spannung von Zellen (1a und 1b) der Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator zeigt, die in 5 gezeigt ist;
7 ein Blockdiagramm ist, das eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ein Graph ist, der Änderungen von Spannungen (V_a und V_b) von Zellen der Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator zeigt, die in 7 gezeigt ist;
9 ein Flußdiagramm für ein Laden von Zellen der Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator ist, die in 7 gezeigt ist;
10 ein Blockdiagramm ist, das eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ein Flußdiagramm zum Laden der Zellen der Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator ist, die in 10 gezeigt ist;
12 ein Blockdiagramm ist, das ein Fahrzeug zeigt, das eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung aufweist;
13 ist Blockdiagramm ist, das eine konventionelle Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator zeigt;
14 ein Graph ist, der Änderungen von Spannungen von Zellen der Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator zeigt, die in 13 gezeigt ist; und
15 ein Graph ist, der Änderungen von Spannungen von Zellen der Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator zeigt, die in 1 gezeigt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSBILDUNGEN
Die bevorzugten Ausbildungen werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende oder identische Elemente durch die verschiedenen Zeichnungen bezeichnen.
1 zeigt eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator oder ein System gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 1 umfaßt bzw. enthält eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator bzw. eine elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung 300 eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren 1 (nachfolgend als "eine Zelle" oder "Zellen" bezeichnet), und eine Mehrzahl von Sätzen von einer Spannungsdetektionsschaltung 50 und einer Entladeschaltung 60. Die Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator enthält weiters positive und negative Anschlüsse (302 und 304), welche mit einer Stromver sorgungs- bzw. Leistungszufuhrquelle 306 über einen Schalter 308 verbunden sind. Die Leistungszufuhrquelle 306 ist eine Stromzufuhrquelle, vorzugsweise eine Konstantstromquelle zu der elektrischen Doppelschichtkondensator-Vorrichtung 300, um die Zellen 1 zu laden. Die Leistungszufuhrquelle 306 kann Strom zuführen, welcher im Ablauf der Zeit einstellbar oder veränderbar ist, wobei jedoch die Leistungszufuhrquelle 306 vorzugsweise eine Konstantstromquelle ist. Jede Spannungsdetektionsschaltung 50 ist mit positiven und negativen Enden von jeder Zelle 1 verbunden und detektiert die Spannung von jeder Zelle 1. Wenn die Spannung von irgendeiner der Zellen 1, die durch eine Spannungsdetektionsschaltung 50 detektiert ist bzw. wird, gleich oder höher als eine vorbestimmte maximale Ladespannung (V_u) der Zellen 1 ist, arbeitet die Spannungsdetektionsschaltung 50, um den Schalter 308 zu öffnen. Dementsprechend stoppt die Leistungszufuhrquelle 306 ein Zuführen von elektrischer Leistung zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator.
Jede Entladeschaltung 60 ist mit dem positiven und negativen Ende von jeder von allen Zellen 1 verbunden. Wenn die Spannung einer Zelle 1, die durch eine Spannungsdetektionsschaltung 50 detektiert ist, gleich oder niedriger als eine vergleichmäßigte bzw. ausgeglichene Spannung (V_e) ist, welche niedriger als die maximale Ladespannung (V_u) ist, ist die Entladeschaltung 60 dieser Zelle 1 ausgeschaltet und somit wird die Zelle 1 nicht durch die Entladeschaltung 60 entladen. Wenn die Spannung einer Zelle 1, die durch eine Spannungsdetektionsschaltung 50 detektiert ist, höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist, schaltet die Entladeschaltung 60 dieser Zelle 1 ein und somit wird die Zelle 1 durch die Entladeschaltung 60 derart entladen, daß die Spannung der Zelle 1 im wesentlichen gleich der vergleichmäßigten Spannung (V_e) wird. Dementsprechend werden nur Zellen 1 (Spannungsvergleichmäßigungskondensatoren), deren Spannungen höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) sind, jeweils über die Entladeschaltungen 60 entladen, um Spannungen der Mehrzahl von Zellen 1 auf die vergleichmäßigte Spannung (V_e) zu vergleichmäßigen bzw. auszugleichen. Dementsprechend ist in diesem Fall die vergleichmäßigte bzw. abgeglichene Spannung (V_e) eine vorbestimmte Zielspannung. Wenn eine Spannung einer Zelle 1, die durch eine Spannungsdetektionsschaltung 50 detektiert ist, gleich oder niedriger als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) während eines Entladens ist, ist die Entladungsschaltung 60 aus und somit stoppt die Entladung der Zelle 1. Daher werden Spannungen von jeder Zelle 1 gleich der vergleichmäßigten Spannung (V_e).
In dieser Ausbildung schaltet, wenn eine Spannung einer Zelle 1 höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist, die Entladeschaltung 60 der Zelle 1 ein und somit wird die Zelle 1 selbst während der Ladezeitdauer bzw. -periode entladen. Jedoch kann die Entladeschaltung 60 während der Ladedauer ausgeschaltet sein, selbst obwohl eine Spannung einer Zelle 1 höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist, und kann eingeschaltet sein, nachdem die Ladeperiode vollständig ist, und wenn die Spannung einer Zelle 1 höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist.
Weiters können die maximale Ladespannung (V_u) und die vergleichmäßigte Spannung (V_e) halb festgelegte Werte oder automatisch austauschbare bzw. veränderbare Werte gemäß den Umgebungen und Anwendungen sein.
2 illustriert Änderungen von Spannungen (V_a und V_b) von Zellen 1, beispielsweise Zellen (1a und 1b). Alle Zellen 1 sind bzw. werden nicht notwendigerweise geladen, daß sie Spannungen höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) aufweisen. Bezugnehmend auf 1 und 2 werden beide Zellen (1a und 1b) während einer Ladedauer bzw. -periode (t_c) von (T₀) bis (T₂) geladen. Bei (T₂) wird die Spannung (V_a) der Zelle (1a) gleich der maximalen Ladespannung (V_u). Dementsprechend arbeitet bei (T₂) die Spannungsdetektionsschaltung 50, um den Schalter 308 zu öffnen, und die Leistungszufuhrquelle 306 stoppt ein Zuführen von Strom zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator. Wenn der Strom stoppt, fällt die Spannung (V_a) der Zelle (1a) um eine Abfallspannung (V_drop) ab, da die Zelle 1 einen Innenwiderstand (R_in) aufweist, welcher normalerweise in dem Bereich vom (mΩ) ist bzw. liegt. Die Abfallsspannung (V_drop) wird wie folgt berechnet: Vdrop = Rin·IC,wo

IC: der Ladestrom ist.

Bei (T₂) schaltet, da die Spannung (V_a) der Zelle (1a) höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist, die Entladeschaltung 60 der Zelle (1a) ein und somit wird die Zelle (1a) durch die Entladeschaltung 60 entladen. Die Zelle (1a) ist ein Entladekondensator. Die Zelle (1a) wird während einer Entladedauer (t_D) von (T₂) bis (T₃) entladen. Andererseits ist von (T₂) bis (T₃), da die Spannung (V_b) der Zelle (1b) niedriger als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist, die Entladeschaltung 60 der Zelle (1b) aus und somit wird die Zelle (1b) nicht durch die Entladeschaltung 60 entladen. Bei (T₃) wird während des Entladens der Zelle (1a) eine Last, beispielsweise ein Motor, der mit der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator ver bunden ist, eingeschaltet. Während eine Ladedauer (t_L) von (T₃) bis (T₅) führt die Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator Leistung zu der Last zu. Beide Zellen (1a und 1b) werden neuerlich während einer Ladedauer (t_C) von (T₆) bis (T₈) geladen. Da bzw. wenn diese Tätigkeit bzw. dieser Vorgang wiederholt wird, werden Spannungen aller Zellen 1 auf die vergleichmäßigte Spannung (Ve) vergleichmäßigt, nachdem sie geladen wurden.
15 ist ein detaillierterer Graph des Graphen, der in 2 gezeigt ist. Tabelle 1 erklärt jeden Zeitpunkt in 15.
Die Spannungsdetektionsschaltung 50 und die Entladeschaltung 60 können als analoge bzw. Analogschaltung konstruiert sein, welche Transistoren oder andere gesonderte Teile verwendet. In diesem Fall können Schaltungen, welche stabile Betriebe aufweisen, mit niedrigen Kosten erhalten werden. Die Spannungsdetektionsschaltung kann Spannungs- oder Stromsignale ausgeben, welche die detektierte Spannung darstellen. Auch können die Spannungsdetektionsschaltung 50 und die Entladeschaltung 60 als ein IC konstruiert sein.
Ein Schaltelement der Entladeschaltung ist beispielsweise ein Transistor, ein weiterer bzw. anderer Halbleiter oder dgl. Wenn eine Spannung einer Zelle 1 höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist, schaltet das Schaltelement ein, um die Zelle 1 über beispielsweise einen Widerstand zu entladen. Andererseits schaltet, wenn eine Spannung einer Zelle 1 gleich oder niedriger als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist, die Schaltelemente aus und die Zelle 1 wird nicht entladen.
Die Entladeschaltung 60 arbeitet nicht notwendigerweise, während die Zellen 1 geladen werden. Dementsprechend kann ein Widerstand, zu welchem ein Entladestrom fließt, einen großen Widerstand besitzen. Daher können, da ein Entladestromwert klein sein kann, eine Menge bzw. ein Ausmaß an Wärmebildung des Widerstands und ein Leistungsverlust klein sein. Jedoch wird die Entladezeitdauer, während welcher die Spannung einer Zelle 1 gleich der vergleichmäßigten Spannung (V_e) wird, länger, wenn der Widerstand des Widerstands ansteigt. Dementsprechend wird der Widerstand des Widerstands durch ein Ausgleichen der Entladedauer und der Wärmemenge bestimmt. Der Widerstand kann ein variabler Widerstand sein.
Gemäß dieser Ausbildung der vorliegenden Erfindung kann, da Spannungen der Zellen 1 präziser vergleichmäßigt sind, die Lade- und Leistungszufuhrfähigkeit der Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator vollständig verwendet bzw. genutzt werden, und die Vorrichtung kann stabil für eine lange Zeitdauer arbeiten bzw. betrieben werden. Selbst obwohl Charakteristika bzw. Merkmale der elektrischen Doppelschichtkondensatoren unterschiedlich sind, kann die Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator effizient geladen und entladen werden, indem die Merkmalsunterschiede kompensiert werden.
Weiters können die maximale Ladespannung und die vorbestimmte Zielspannung für jede Zelle gemäß den Charakteristika der Zelle bestimmt werden.
Obwohl in der Anordnung, die in 1 gezeigt ist, jede Zelle 1 die Spannungsdetektionsschaltung 50 und die Entladungsschaltung 60 aufweist, kann die Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator nur eine Spannungsdetektionsschaltung 50 und eine Entladungsschaltung 60 enthalten, wie dies in 3 gezeigt ist. Bezugnehmend auf 3 sind eine Spannungsdetektionsschaltung 50 und eine Entladungsschaltung 60 mit beispielsweise zwei Zellen 1 verbunden, welche in Serie geschaltet bzw. angeschlossen sind.
Weiters können, wie dies in 4 gezeigt ist, nur einige der Zellen 1 die Spannungsdetektionsschaltungen 50 bzw. eine Entladeschaltung 60 aufweisen.
Wenn die Spannungsdetektionsschaltungen 50 und die Entladeschaltungen 60 für nur einen gewissen Abschnitt bzw. Bereich unter sämtlichen Zellen angeordnet sind, wird der Abschnitt aus der Gruppe von Zellen ausgewählt, welche relativ eine kleinere Kapazität als die anderen aufweisen. Beispielsweise wird bei gesamten Zellen mit einer bestimmten Dispersion bzw. Streuung der Kapazität eine Hälfte kleinerer Kapazität angeordnet, um mit den Spannungsdetektionsschaltungen 50 und den Entladeschaltungen 60 verbunden zu werden, und die andere Hälfte, die eine höhere Kapazität aufweist, kann offen sein, ohne die Spannungsdetektionsschaltungen 50 und die Entladeschaltungen 60.
In dem Fall von zwei Zellen sind die Schaltungen bzw. Schaltkreise für die Zelle angeordnet, die eine kleinere Kapazität aufweist. In dieser Ausbildung kann die Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator nur eine Spannungsdetektionsschaltung 50 enthalten, welche die Anschlußspannung von jeder aus der Mehrzahl von Zellen 1 detektiert, indem die Verbindung zwischen der einen Spannungsdetektionsschaltung 50 und jeder aus der Mehrzahl von Zellen 1 umgeschaltet wird.
5 zeigt eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 5 enthält eine Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren 1. Da die Mehrzahl von Zellen 1 gleiche Konstruktionen enthalten, wird eine Schaltung nachfolgend in Bezug auf eine Zelle (1a) erklärt.
Ein Anschluß (27b) eines ersten Nebenschlußreglers 27 wird mit einem positiven Polanschluß bzw. Anschluß eines positiven Pols (3A) der Zelle (1a) verbunden. Ein weiterer Anschluß (27a) des ersten Nebenschlußreglers 27 wird mit einem negativen Polanschluß (3B) der Zelle (1a) über einen Widerstand 25 verbunden. Weiters ist der Anschluß (27a) des ersten Nebenschlußreglers 27 mit einer Basis eines ersten NPN-Transistors 29 verbunden. Ein Anschluß (27c) des ersten Nebenschlußreglers (27) ist bzw. wird mit einem Ende des Widerstands 21 und einem Ende eines Widerstands 23 verbunden. Ein weiteres Ende des Widerstands 21 ist mit dem positiven Polanschluß (3A) der Zelle (1a) verbunden. Ein weiteres bzw. anderes Ende des Widerstands 23 ist mit dem negativen Polanschluß (3B) der Zelle (1a) verbunden.
Der Emitter des ersten Transistors 29 ist mit dem negativen Polanschluß (3B) der Zelle (1a) verbunden. Der Kollektor des ersten Transistors 29 ist mit dem positiven Polanschluß (3A) der Zelle (1a) über einen Photokoppler 31 verbunden.
Ein Anschluß (37b) eines zweiten Nebenschlußreglers 37 ist mit dem positiven Polanschluß (3A) der Zelle (1a) verbunden. Ein weiterer Anschluß (37a) des zweiten Nebenschlußreglers 37 ist mit dem negativen Polanschluß (3B) der Zelle (1a) über einen Widerstand 35 verbunden. Weiters ist der Anschluß (37a) des zweiten Nebenschlußreglers 37 mit einer Basis eines zweiten NPN-Transistors 39 verbunden. Ein Anschluß (37c) des zweiten Nebenschlußreglers 37 ist mit einem Ende eines Widerstands 41 und einem Ende eines Widerstands 43 verbunden. Ein weiteres Ende des Widerstands 41 ist mit dem positiven Polanschluß (3A) der Zelle (1a) verbunden. Ein weiteres Ende des Widerstands 43 ist mit den negativen Polanschluß (3B) der Zelle (1a) verbunden.
Der Kollektor des zweiten Transistors 39 ist mit dem positiven Polanschluß (3A) der Zelle (1a) verbunden. Der Emitter des zweiten Transistors 39 ist mit dem negativen Polanschluß (3B) der Zelle (1a) über einen Widerstand 45 verbunden.
Alle der Zellen 1 und alle der Schaltungen sind in einer Schachtel bzw. einer Box enthalten, um eine Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator auszubilden. Die Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator enthält weiters positive und negative Anschlüsse (302 und 304), welche mit einer Stromversorgungs- bzw. Leistungszufuhrquelle 306 über einen Schalter 308 verbunden sind. Der Schalter 308 ist durch den Photokoppler 31 gesteuert bzw. geregelt. Die Leistungszufuhrquelle 306 ist konfiguriert, um Strom zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator zuzuführen, um die Zellen 1 zu laden.
Eine Betriebsspannung des ersten Nebenschlußreglers 27 ist bzw. wird auf die maximale Ladespannung (V_u) der Zelle 1 festgelegt. Die Betriebsspannung kann durch ein Einstellen eines Verhältnisses eines Widerstands der Widerstände (21 und 23) bestimmt werden. Wenn die Spannung zwischen dem positiven und negativen Polanschluß (3A und 3B) gleich oder höher als die maximale Ladespannung (V_u) ist, schaltet der erste Nebenschlußregler 27 ein und daher fließt ein Strom zu dem Widerstand 25. Der erste Transistor 29 verstärkt ein Signal, welches zeigt, daß die Spannung zwischen dem positiven und negativen Polanschluß (3A und 3B) gleich oder höher als die maximale Ladespannung (V_u) ist. Entsprechend dem Signal arbeitet der Photokoppler 31, um den Schalter 308 zu öffnen. Dementsprechend hört die Leistungszufuhrquelle 306 auf, elektrische Leistung zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator zuzuführen.
Eine Betriebsspannung des zweiten Nebenschlußreglers 37 wird auf die vergleichmäßigte Spannung (V_e) festgelegt, welche niedriger als die maximale Ladespannung (V_u) ist. Die vergleichmäßigte Spannung (V_e) wird basierend auf dem Verhältnis eines Widerstands der Widerstände (41 und 43) bestimmt. Wenn die. Spannung zwischen dem positiven und negativen Polanschluß (3A und 3B) einer Zelle 1 höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist, nachdem die Leistungszufuhrquelle 306 die Leistungszufuhr zu der elektrischen Doppelschichtkondensator-Vorrichtung 300 stoppt, schaltet der Nebenschlußregler 37 ein und daher fließt ein Strom zu dem Widerstand 35. Dementsprechend schaltet der zweite Transistor 39 ein und somit entlädt die Zelle 1 durch den Widerstand 45. Wenn die Spannung zwischen dem positiven und negativen Polanschluß (3A und 3B) der Zelle 1 gleich wie oder niedriger als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist, schaltet der zweite Nebenschlußregler 37 aus und daher schaltet der zweite Transistor 39 aus. Dementsprechend hält die Zelle 1 ihre Spannung an dieser Spannung.
Der zweite Transistor 39 schaltet selbst während der Ladedauer der Zelle 1 ein, wenn die Spannung zwischen dem positiven und negativen Polanschluß (3A und 3B) höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist. Jedoch kann der Widerstand 45 einen großen Widerstand besitzen, da der Widerstand 45 nicht eine Funktion besitzt, daß er die Zelle 1 umgeht, während die Zellen 1 geladen werden. Dementsprechend ist, obwohl der Widerstand 45 einen großen Wider stand besitzt, der Leistungsverbrauch des Widerstands 45 klein. Daher gibt es kein Problem, selbst obwohl der zweite Transistor 39 während der Ladedauer des elektrischen Doppelschichtkondensators 1 einschaltet.
Die Schaltung kann derart konstruiert sein, daß der zweite Transistor 39 nicht während der Ladedauer der Zelle 1 einschaltet und einschaltet, wenn die Ladeperiode vollständig bzw. abgeschlossen ist, und wenn die Spannung zwischen dem positiven und negativen Polanschluß (3A und 3B) höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) ist.
Gemäß dieser Ausbildung der vorliegenden Erfindung können, da Spannungen der Zellen 1 präziser vergleichmäßigt sind bzw. werden, die Lade- und Leistungszufuhrfähigkeit der elektrischen Doppelschichtkondensator-Vorrichtung vollständig verwendet bzw. genutzt werden und die Vorrichtung kann stabil für eine lange Zeitdauer arbeiten. Selbst obwohl Charakteristika der elektrischen Doppelschichtkondensatoren unterschiedlich sind, kann die elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung effizient geladen und entladen werden, indem die Merkmalsunterschiede kompensiert werden.
Obwohl Nebenschlußregler in dieser Ausbildung verwendet sind, können andere Halbleiter, welche eine ähnliche Bezugsspannungsgenauigkeit besitzen, verwendet werden.
7 zeigt eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 7 enthält eine Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren 1, Entladeschaltungen 60 entsprechend jeweiligen Zellen 1, eine Span nungsdetektionsschaltung 50, eine elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70, eine Stromdetektionsschaltung 80 und eine Umschalt- bzw. Schalterschaltung 90. Die Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator enthält weiters positive und negative Anschlüsse (302 und 304), welche mit einer Leistungszufuhrquelle 306 verbunden sind. Die Leistungszufuhrquelle 306 ist konfiguriert, um Strom zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator zuzuführen, um die Zellen 1 zu laden.
Die elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70 ist als ein Mikroprozessor aufgebaut bzw. konstruiert und umfaßt bzw. enthält einen ROM (Nur-Lesespeicher) 72, ein RAM (Direktzugriffsspeicher) 73, eine CPU (Mikroprozessor) 74, ein Eingabeport 75 und ein Ausgabeport 76. Der ROM 72, der RAM 73 und die CPU 74, das Eingabeport 75 und das Ausgabeport 76 sind über einen bidirektionalen Bus 71 miteinander verbunden.
Die Entladeschaltung 60 ist konfiguriert, um die entsprechende Zelle 1 zu entladen und mit dem Ausgabeport 76 zu verbinden. Die Spannungsdetektionsschaltung 50 ist konfiguriert, um eine Spannung von jeder Zelle 1 zu detektieren, und mit dem Eingabeport 75 verbunden. Die Stromdetektionsschaltung 80 ist konfiguriert, um den Strom der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator zu detektieren, und mit dem Eingabeport 75 verbunden. Die Umschaltschaltung 90 ist konfiguriert, um die Leistungszufuhr zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator von der Leistungszufuhrquelle 306 zu stoppen, und mit dem Ausgabeport 76 verbunden.
8 illustriert Änderungen von Spannungen (V_a und V_b) von Zellen 1, beispielsweise Zellen (1a und 1b). Bezugnehmend auf 7 und 8 führt während einer Lastperiode (t_L) von (T₂₀) bis (T₂₁) die Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator Leistung zu der Last zu. Dementsprechend sinken Spannungen von beiden Zellen (1a und 1b) ab. Vor einem Laden der Zellen 1 werden Spannungsdifferenzen (ΔV_a und ΔV_b) derart berechnet, daß die Spannungen (V_a und V_b) von beiden Zellen (1a und 1b) gleich der maximalen Ladespannung (V_u) werden, im wesentlichen gleichzeitig während sie geladen werden. Während einer Entladeperiode (t_D) von (T₂₂) bis (T₂₃) werden beide Zellen (1a und 1b) entladen, so daß jede Spannung (V_a oder V_b) durch bzw. um den Spannungsunterschied (ΔV_a oder ΔV_b) reduziert wird. Während einer Ladeperiode (t_C) von (T₂₃) bis (T₂₄) werden beide Zellen (1a und 1b) geladen. Die Spannungen (V_a und V_b) von beiden Zellen (1a und 1b) werden gleich der maximalen Ladespannung (V_u) bei (T₂₄) zur selben Zeit. In diesem Fall ist die maximale Ladespannung (V_u) gleich der vergleichmäßigten Spannung (V_e).
9 ist ein Flußdiagramm zum Laden der Zellen 1. Bezugnehmend auf 7 und 9 wird in Schritt (S1) eine Kapazität (Ci) von jeder Zelle 1 basierend auf einer Änderung (ΔQ) einer Lademenge und einer Änderung (ΔV) einer Spannung gemäß der folgenden Gleichung berechnet. Ci = ΔQ/ΔV
Die Änderungen (ΔQ) von Lade- bzw. Ladungsmengen werden basierend auf einem durch die Stromdetektionsschaltung 80 detektierten Strom berechnet. Die Änderungen (ΔV) einer Spannung werden basierend auf der Spannung berechnet, die durch die Spannungsdetektionsschaltung 50 detektiert ist.
In bzw. bei Schritt (S2) wird eine Lademenge (Qi) für jede Zelle 1, welche notwendig ist, um die Spannung von jeder Zelle 1 auf die maximale Ladespannung (V_u) zu erhöhen, gemäß der folgenden Gleichung berechnet: Qi = Ci·(Vu – Vi)wo Vi eine Spannung von jeder Zelle 1 zu dieser Zeit ist.
In Schritt (S3) wird die maximale Lademenge (Qmax) unter den Lademengen (Qi) bestimmt. In Schritt (S4) wird jeder Lademengenunterschied (ΔQi) zwischen der maximalen Lademenge (Qmax) und jeder Lademenge (Qi) berechnet.
In Schritt (S5) wird jeder Spannungsunterschied (ΔVi) entsprechend der folgenden Gleichung berechnet: ΔVi = ΔQi/Ci
In Schritt (S6) steuert bzw. regelt die elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70 jede Entladeschaltung 60, um jede Zelle 1 derart zu entladen, daß die Spannung (Vi) von jeder Zelle um jeden Spannungsunterschied (ΔVi) abgesenkt wird. Dann schaltet in Schritt (S7) die elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70 die Umschaltschaltung 90 ein. Dementsprechend führt die Leistungszufuhrquelle 306 im wesentlichen konstanten Strom zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator zu, um die Zellen 1 zu laden.
In Schritt (S8) bestimmt die elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70, ob eine Lademenge (Q) während dieser Ladedauer gleich oder höher als ihre maximale Lademenge (Qmax) ist. Wenn die Lademenge (Q) kleiner als die maximale Lademenge (Qmax) ist, setzt die Leistungszufuhrquelle 306 fort, konstanten Strom zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator zuzuführen. Wenn die Lademenge (Q) gleich oder höher als die maximale Lademenge (Qmax) ist, geht die Routine zu Schritt (S9). In Schritt (S9) schaltet die elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70 die Umschaltschaltung 90 aus. Dementsprechend stoppt die Leistungszufuhrquelle 306 ein Zuführen von Konstantstrom zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator.
Gemäß dieser Ausbildung der vorliegenden Erfindung können, da Spannungen der Zellen 1 bei der maximalen Spannungsspannung (V_u) vergleichmäßigt bzw. ausgeglichen sind, die Lade- und Leistungszufuhrfähigkeit der Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator vollständig verwendet werden.
In Schritt 9 (S9) kann die Stoptätigkeit eines Zuführens von Strom zu der Vorrichtung 300 mit dem elektrischen Doppelschichtkondensator ausgeführt werden, wenn für die Spannung der Zelle 1 durch die Spannungsdetektionsschaltung 50 detektiert wird, daß sie gleich der maximalen Ladespannung (V_u) ist. Nach einem Stoppen des Ladestroms fällt die Anschlußspannung der Zelle 1 um etwa einen I·R Spannungsabfall (I_c·R_in) von der maximalen Ladespannung V_u) ab.
10 zeigt eine Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkompensator gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 10 enthält eine Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren 1, Entladeschaltungen 60 entsprechend den jeweiligen Zellen 1, eine Spannungsdetektionsschaltung 50, eine elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70, und eine Bypaß- bzw. Zweigleitungsschaltung 100. Die Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator enthält weiters positive und negative Anschlüsse (302 und 304), welche mit einer Leistungszufuhrquelle 306 verbunden sind. Die Leistungszufuhrquelle 306 ist konfiguriert, um Konstantstrom zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator zuzuführen, um die Zellen 1 zu laden.
Die Bypaßschaltung 100 ist mit den Zellen 1 parallel verbunden und konfiguriert, um alle Zellen 1 zu umgehen.
11 ist ein Flußdiagramm zum Laden der Zellen 1. Grundsätzlich ist der Betrieb dieser Ausbildung ähnlich zur Ausbildung, die in 7–9 gezeigt ist. Bezugnehmend auf 10 und 11 wird in bzw. bei Schritt (S20) die Kapazität (Ci) von jeder Zelle 1 aus dem ROM 72 ausgelesen. Die Kapazität (Qi) von jeder Zelle 1 kann in dem ROM 72 gespeichert werden.
In Schritt (S21) wird eine Ladezeit (T_C), während welcher die maximale Lademenge (Qmax) in eine Zelle 1 geladen wird, berechnet. Dann öffnet in Schritt (S22) die elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70 die Bypaßschaltung 100. Dementsprechend führt die Leistungszufuhrquelle 306 Konstantstrom zu den Zellen 1 zu, um die Zellen 1 zu laden.
In Schritt (S23) bestimmt die elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70, ob die Ladezeit (T_C) vergangen ist, seitdem die Ladung der Zellen 1 gestartet wurde. Wenn die elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70 bestimmt, daß die Ladezeit (T_C) nicht vergangen ist, setzt die Leistungszufuhrquelle 306 ein Zuführen von im wesentlichen Konstantstrom zu den Zellen 1 fort. Wenn die elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70 bestimmt, daß die Ladezeit (T_C) vergangen ist, geht die Routine zu Schritt (S24). In Schritt (S24) schließt die elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit 70 die Bypaßschaltung 100. Dementsprechend stoppt die Leistungszufuhrquelle 306 ein Zuführen von Konstantstrom zu den Zellen. Zu diesem Zeitpunkt sind Spannungen von allen Zellen gleich der maximalen Ladespannung (V_u) zur selben Zeit.
In Schritt (S24) kann die Stoptätigkeit eines Zuführens von Strom zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator ausgeführt werden, wenn für die Spannung von Zelle 1 durch die Spannungsdetektionsschaltung 50 detektiert ist, daß sie gleich der maximalen Ladespannung (V_u) ist. Nach einem Stoppen des Ladestroms fällt die Anschlußspannung der Zelle 1 um etwa einen I·R Spannungsabfall (I_c·R_in) von der maximalen Ladespannung (V_u) ab.
In den obigen Ausbildungen ist es bevorzugt, eine Spannungsdetektionsschaltung 50 und eine Entladeschaltung 60 zu jeder von allen Zellen 1 zur Verfügung zu stellen, um eine Spannung der Zellen genauer zu steuern bzw. zu regeln.
Die Anzahl von Zellen 1 wird unter Berücksichtigung der maximalen Ladespannung der Vorrichtung 300 mit elek tronischem Doppelschichtkondensator bestimmt. Die Haltbarkeitsspannung einer Zelle 1, deren elektrolytische Lösung eine organische Lösung ist, ist bzw. beträgt etwa 3 (V). Die Dauer- bzw. Haltespannung einer Zelle 1, deren elektrolytische Lösung eine Wasserlösung ist, ist etwa 1 (V). Kapazitätswerte von einigen (F) bis Zehntausende (F) sind verfügbar. Beispielsweise ist es, wenn die maximale Ladespannung von DC 750 (V) bis 5.000 (V) ist, bevorzugt, die Anzahl von Zellen 1 zu bestimmen, daß sie von 188 bis 3025 liegt. Wenn die maximale Ladespannung von AC 100 (V) bis 600 (V) ist, ist es bevorzugt, die Anzahl von Zellen 1 zu bestimmen, daß sie von 36 bis 512 beträgt. Für eine allgemeine Niederspannungsleistungsquelle zum Steuern bzw. Regeln ist es bevorzugt, die Anzahl von Zellen 1 zu bestimmen, daß sie von 3 bis 30 beträgt.
Es ist bevorzugt zu bestimmen, daß der Spannungsbereich, in welchem die Spannung einer Zelle 1 durch ein Entladen der Zelle 1 über eine Entladeschaltung 60 einstellbar ist, von 50 (mV) bis 900 (mV) beträgt. Der Spannungsbereich wird unter Berücksichtigung von sowohl einer Frequenz der Spannungsvergleichmäßigungsentladung als auch einem Leistungsverlust aufgrund der Entladung bestimmt.
Es ist bevorzugt, daß eine relative Dispersion bzw. Streuung einer Kapazität von Zellen 1 innerhalb von ±20 liegt. Es ist bevorzugter, daß die relative Streuung einer Kapazität von Zellen 1 innerhalb von ±15% liegt. Wenn die relative Streuung zu groß ist, steigt die Zeit zum Vergleichmäßigen von Spannungen von Zellen 1 an und somit steigt ein Leistungsverlust an.
Weiters ist es bevorzugt, daß ein Ladestrom größer als 10 (A) ist. Es ist noch bevorzugter, daß ein Ladestrom größer als 25 (A) ist, da bessere Charakteristika eines elektrischen Doppelschichtkondensators verwendet werden können.
Die elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann geeignet als eine Strom- bzw. Leistungsquelle für Systeme verwendet werden. Es ist bevorzugt, daß derartige Systeme nicht während der Nacht betrieben werden, wie beispielsweise Lifte. Während dem Tag werden ein Laden der elektrischen Doppelschichtkondensator-Vorrichtung und ein Zuführen von Leistung von der elektrischen Doppelschichtkondensator-Vorrichtung zu einer Last wiederholt. Während dieser Periode verbraucht die Entladungsschaltung eine geringe Leistung. Während einer langen Dauer, in welcher die Last nicht betätigt wird, beispielsweise während der Nacht, werden die Spannungen der Zellen langsam vergleichmäßigt bzw. ausgeglichen. Daher wird eine Streuung der Spannungen der Zellen kompensiert.
Die Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiters als eine Leistungsquelle für Systeme, die Motoren aufweisen, beispielsweise Elektroautos, Hybridautos, elektrische Züge oder dgl. verwendet werden.
12 zeigte ein Elektroauto 400. Das Auto 400 enthält einen Motor 410 und einen Inverter bzw. Wandler 430, einen Generator oder eine Batterie 440 zum Rotieren von Rädern 420 und eine Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator, welche Leistung zu dem Motor 410 zuführt und die ausgegebene Leistung für eine regeneratives Bremsen reserviert bzw. wiederverwendet.
Gemäß den Ausbildungen der vorliegenden Erfindung kann, da Spannungen der Zellen 1 präziser vergleichmäßigt sind bzw. werden, die Lade- und Leistungszufuhrfähigkeit der Vorrichtung mit elektrischem Doppelschichtkondensator vollständig verwendet werden.
Beispiel 1
In der Ausbildung, wie sie in 5 gezeigt ist, wird angenommen, daß die Anzahl von Zellen 1 zwei ist, die Kapazität (C₁) der ersten Zelle (1a) 1000 (F) ist, die Kapazität (C₂) der zweiten Zelle (1b) 1150 (F) ist, die maximale Ladespannung (V_u) 2,5 (V) ist, der Ladestrom ein Konstantstrom mit 10 (A) ist, die Vergleichmäßigungsspannung (V_e) 2,1 (V) ist, die Ausgangs- bzw. Anfangsspannung der ersten und zweiten Zelle (1a und 1b) 0 (V) ist und der Widerstand (R) des Widerstands (45) 100 (Ω) ist. Die Zelle ist eine Art von organischer, elektrolytischer Lösung.
Bezugnehmend auf 5 und 6 steigen die Spannungen der ersten und zweiten Zelle (1a und 1b) linear an, da der Ladestrom konstant ist. Bei (t₂) wird die Spannung (V_a) der ersten Zelle (1a), welche eine kleinere Kapazität aufweist, gleich der maximalen Ladespannung (V_u) von 2,5 (V). Dementsprechend schaltet bei (t₂) der erste Transistor 29 ein und somit arbeitet der Photokoppler 31, um den Schalter 308 zu öffnen. Dementsprechend stoppt bzw. unterbricht die Leistungszufuhrquelle 306 ein Zuführen von elektrischer Leistung zu der Vorrichtung 300 mit elektrischem Doppelschichtkondensator. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung der zweiten Zelle (1b) 2,17 (V).
Wenn die Spannungen der ersten und zweiten Zelle (1a und 1b) höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) von 2,1 (V) sind, schaltet der zweite NPN-Transistor 39 ein. (t₀) ist bzw. beträgt etwa 210 Sekunden und (t₁) beträgt etwa 242 Sekunden. Die zweite Zelle (1b) wird entladen bis (t₃), bei welcher die Spannung der zweiten Zelle (1b) gleich 2,1 (V) wird. In gleicher Weise wird die erste Zelle (1a) bis (t₄) entladen.
Die Spannungen (V_c1 und V_c2) der ersten und zweiten Zelle (1a und 1b) zwischen (t₂) und (t₄) oder (t₃) werden wie folgt berechnet: Vc1 ≈ 2,5 exp (–t/τ1), τ1 ≈ R·C1 = 100 (Ω)·1000 (F) = 105 Sekunden Vc2 ≈ 2,17 exp (–t/τ2),und τ2 ≈ R·C2 = 100 (Ω)·1150 (F) = 1,15 × 105 Sekunden,wo (t) ein Zeitraum bzw. eine Zeitperiode von (t₂) ist.
Dementsprechend ist (t₃) etwa 4000 Sekunden und (t₄) ist etwa 18000 Sekunden. Der maximale Entladestrom (i₁) der ersten Zelle (1a) ist etwa 25 (mA)(i₁ ≈ 2,5 (V)/100 (Ω) = 25 (mA)). Der maximale Entladestrom (i₂) der zweiten Zelle (1b) ist etwa 22 (mA)(i₂ ≈ 2,17 (V)/100 (Ω) = 22 (mA))
Da der Entladestrom klein ist, sind der Leistungsverbrauch und die Wärmegenerierung bzw. -erzeugung der Entladeschaltung 60, welche den NPN-Transistor 39 und den Widerstand 45 enthält, klein. Der maximale Leistungsverbrauch (P) ist 2,5 (V)·25 (mA) = 62,5 (mW).
Weiters entlädt die Ladeschaltung 60 beispielsweise die erste Zelle (1a) zwischen (t₀) und (t₂). Jedoch kann, da der Entladestrom (25 (mA)) ziemlich klein verglichen mit dem Ladestrom (10 (A)) ist, das Entladen während der Ladedauer negiert bzw. vernachlässigt werden.
Wie oben beschrieben, werden, selbst obwohl Kapazitäten der Zellen 1 unterschiedlich sind, Spannungen der Zellen 1 auf der vergleichmäßigten Spannung (V_e) beibehalten, nachdem die Zellen 1 entladen sind. Insbesondere werden Spannungen der Zellen 1 bei der vergleichmäßigten Spannung (V_e) vergleichmäßigt.
In 6 sind die Spannungen (V_c1 und V_c2) der ersten und zweiten Zelle (1a und 1b) höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e), wenn ein Laden vollständig ist. Jedoch müssen notwendigerweise alle der Zellen 1 geladen werden, um Spannungen höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) aufzuweisen. Insbesondere werden die Zellen 1 (Entladungskondensatoren), deren Spannungen höher als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) sind, derart entladen, daß die Spannungen gleich der vergleichmäßigten Spannung (V_e) werden. Andererseits werden Zellen 1, deren Spannungen niedriger als die vergleichmäßigte Spannung (V_e) sind, nicht entladen und auf diesen Spannungen gehalten. Dementsprechend sind, wenn bzw. da sich dieser Vorgang wiederholt, Spannungen von allen Zellen gleich der vergleichmäßigten Spannung (V_e).
Beispiel 2
In der Ausbildung, die in 5 gezeigt ist, wird bezugnehmend auf Tabellen 2 und 3 angenommen, daß die Anzahl von Zellen 1 drei ist, die Kapazität (C₁) einer ersten Zelle 1225 (F) ist, die Kapazität der (C₂) einer zweiten Zelle 1204 (F) ist und die Kapazität (C₃) einer dritten Zelle 1185 (F) ist, ein innerer Widerstand der ersten Zelle 2,3 (mΩ) ist, ein innerer Widerstand der zweiten Zelle 2,1 (mΩ) ist, ein innerer Widerstand der dritten Zelle 2,2 (mΩ) ist, die maximale Ladespannung (V_u) 2,5 (V) ist, der Ladestrom ein Konstantstrom mit 25 (A) ist, die vergleichmäßigte Spannung (V_e) 2,4 (V) ist und der Entladewiderstand (R) des Widerstands 45 5 (Ω) ist. In diesem Beispiel 2 wird die Vergleichmäßigung der drei Anschlußspannungen innerhalb von 20 mV in einem Zustand erreicht und innerhalb von 10 mV in einem anderen Zustand.
Tabelle 2
Tabelle 3
Beispiel 3
In einem Beispiel von Tabelle 4 ist der Widerstand des Entladewiderstands für die dritte Zelle 1 (Ω). In diesem Bei spiel 3 wird die Vergleichmäßigung der drei Anschlußspannungen innerhalb von 10 mV in einem Zustand erreicht.
Tabelle 4
Offensichtlich bzw. selbstverständlich sind zahlreiche Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung im Licht der obigen Lehren möglich. Es ist daher zu verstehen, daß innerhalb des Rahmens der beiliegenden Ansprüche die Erfindung auch anders ausgeführt werden kann, als sie spezifisch hierin beschrieben ist.

Claims

Spannungs-Steuer- bzw. -Regelschaltung für eine elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung (300), welche eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1, 1a; 1b) umfaßt, die in Serie verbunden bzw. angeschlossen sind; umfassend; wenigstens eine Spannungs-Detektionsvorrichtung (50), die konfiguriert ist, um eine Anschlußspannung von wenigstens einem aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1, 1a; 1b) zu detektieren; eine Steuer- bzw. Regelschaltung (308; 90), die konfiguriert ist, um ein Laden der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1, 1a; 1b) zu stoppen, wenn die durch die Spannungs-Detektionsvorrichtung (50) detektierte Anschlußspannung gleich wie oder höher als eine maximale Ladungsspannung (V_u) ist; und wenigstens eine elektrische Entladevorrichtung (60), die entsprechend der wenigstens einen Spannungs-Detektionsvorrichtung (50) vorgesehen ist und konfiguriert ist, um den wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1, 1a; 1b) derart zu entladen, daß die Anschlußspannung zu einer vorbestimmten Zielspannung (V_e) abfällt, welche niedriger als die maximale Belade- bzw. Ladungsspannung (V_u) ist, wenn die Anschlußspannung höher als die vorbestimmte Zielspannung (V_e) ist, und wobei die Entladevorrichtung (60) konfiguriert ist, um nicht den wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1, 1a; 1b) zu entladen, wenn die Anschlußspannung gleich wie oder niedriger als die vorbestimmte Zielspannung (V_e) ist.
Elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung (300), umfassend: eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b) die in Serie verbunden sind; und eine Spannungs-Steuer- bzw. -Regelschaltung nach Anspruch 1.
Elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei Anschlußspannungen der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b) im wesentlichen auf die vorbestimmte Zielspannung (V_e) in einem Zustand zu vergleichmäßigen bzw. abzugleichen sind.
Elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die maximale bzw. Maximalladungsspannung (V_u) eingestellt bzw. festgelegt ist, um eine abgeglichene bzw. vergleichmäßigte Spannung zu sein, auf welche die Anschlußspannungen der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b) im wesentlichen in einem Zustand abzugleichen sind.
Elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der wenigstens eine Satz der Spannungs-Detektionsvorrichtung (50) und der elektrischen Entladevorrichtung (60) an jedem von allen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b) zur Verfügung gestellt ist.
Elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b) geladen werden, indem im wesentlichen Gleichstrom zugeführt wird.
Elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Entladungsvorrichtung einen Widerstand umfaßt, dessen Widerstand 1 bis 100 (Ω) ist und durch welchen wenigstens einer aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b) entladen ist.
Elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Spannungsdetektionsvorrichtung (50) umfaßt, einen ersten Detektionsabschnitt, welcher konfiguriert ist, um die maximale Ladespannung (V_u) zu detektieren, und einen zweiten Detektionsabschnitt, welcher konfiguriert ist, um die vorbestimmte Zielspannung (V_e) zu detektieren.
Elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei eine Anzahl aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b) von 36 bis 3025 ist, und wobei eine Entladungsanfangsspannung der elektrischen Doppelschichtkondensator-Vorrichtung wenigstens 100 (V) ist.
Elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei eine Anzahl aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren von 3 bis 30 ist, und wobei eine Entladungsanfangsspannung der elektrischen Doppelschichtkondensator-Vorrichtung höchstens 50 (V) ist.
Elektrische Doppelschichtkondensator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei eine relative Streuung bzw. Dispersion von Kapazitäten der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren innerhalb ±20% ist.
Verfahren zum Einstellen von Spannungen einer Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b), umfassend: Laden der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b), welche in Serie verbunden bzw. angeschlossen werden; Detektieren einer Anschlußspannung von wenigstens einem der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b); Stoppen eines Ladens bzw. Beladens der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b), wenn bestimmt wird, daß die Anschlußspannung gleich wie oder höher als eine maximale Ladungsspannung (V_u) ist; Entladen des wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b) derart, daß die Anschlußspannung zu einer vorbestimmten Zielspannung (V_e) abfällt, welche niedriger als die maximale Ladungsspannung (V_u) ist, wenn die Anschlußspannung höher als die vorbestimmte Zielspannung (V_e) ist; und Verhindern eines Entladens des wenigstens einen aus der Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b), so daß die Anschlußspannung aufrecht erhalten wird, wenn die Anschlußspannung gleich wie oder niedriger als die vorbestimmte Zielspannung (V_e) ist.
Verwendung einer elektrischen Doppelschichtkondensator-Vorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 2 bis 11 in einem System, umfassend: einen Motor, der konfiguriert ist, um das System zu betreiben; wobei die Mehrzahl von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (1; 1a; 1b), die in Serie verbunden bzw. angeschlossen sind, konfiguriert sind, um Leistung zu dem Motor zuzuführen.