SE536419C2 - Balansering av superkondensatorer - Google Patents

Abstract

En förbättrad anordning för balansering av ett tillfälligt energilager beskrivs Det tillfälligaenergilagret innehåller en pluralitet av serieanslutna superkondensatorer. I enlighet medföreliggande uppfinning innehåller anordningen en diodanordning som enbart leder ström i enriktning. Denna diodanordning är ansluten parallellt med minst två superkondensatorer ipluraliteten av superkondensatorer som ingår i det tillfälliga energilagret, och i en riktning såatt diodanordningen blir ledande om polariteten över minst två superkondensatorer bliromvänd jämfört med polariteten för laddningsspänningen som används för att ladda det tillfälliga energilagret. Fig. 2

Description

25 30 536 419 Det har konstaterats att energilager baserade på superkondensatorer är mycket lämpliga för användning i hybridfordon. Till exempel genomlöper en hybridstadsbuss ett stort antal retardationer och accelerationer under en normal driftdag. Här är det möjligt att ladda energilagret under retardation, t.ex. före hållplatser eller rödljus, och sedan använda den lagrade energin för att tillföra energi under kon tid vid köming och/eller acceleration eñer ett sådant relativt kort stopp.

Spänningen som används i t.ex. en buss ligger på mellan 400 och 800 V. Generellt sett kan en superkondensator, dvs. en cell, laddas med en spänning på mellan 2,7 och 2,9 V. 1 en sådan buss behövs därför en pluralitet av superkondensatorceller, omkring 150-300 celler, som måste anslutas i serie lör att lagra spänningen. Superkondensatorcellema i ett sådant energilager samlas ofia i moduler, där varje modul innehåller ett antal celler, så att energilagret innehåller ett antal sådana serieanslutna moduler. Figur l visar ett energilager i enlighet med teknikens ståndpunkt 100, innehållande tre moduler 110, 120 och 130. Den första av dessa moduler, 110, innehåller fyra superkondensatorer, 111, 112, 113 och 114, en andra av dessa moduler, 120, innehåller också fyra superkondensatorer, 121, 122, 123 och 124, samt en tredje av dessa moduler, 130, innehåller också fyra superkondensatorer, 131, 132, 133 och 134.

I ett energilager med ett stort antal serieanslutna celler grupperade i ett antal moduler mottager alla superkondensatorcellema samma ström. Företrädesvis har alla cellerna i allt väsentligt samma kapacitans och ekvivalenta serieresistans, så att spänningen fördelas jämnt mellan cellema. Spänningen över superkondensatorema kan dock skilja sig åt, eftersom superkondensatorer-nas karakteristika inte är identiska. Spänningen över energilagret kan därför vara ojämnt fördelad över energilagrets celler, vilket leder till obalanserade moduler i spårmingshänseende.

I lösningar i enlighet med teknikens ståndpunkt har problemet med skilda spänningar över olika celler och/eller moduler minimerats genom selektivt urval av superkondensatorer, dvs. genom att aktivt välja superkondensatorer med i allt väsentligt samma karakteristika för användning i varje cell och/eller varje modul i ett energilager. Under urvalsfórfarandet delas 10 15 536 445 de tillverkade superkondensatorerna in i urvalsgmpper där varje grupp har bestämda karakteristika, Lex. en viss bestämd kapacitans C . När energilagret och/eller modulema därefter monteras används superkondensatorer från en viss urvalsgrupp till var och en av energilagrets celler och/eller moduler För att uppnå en jämn spänningsfördelning över cellerna i energilagret och/eller modulerna. Detta är dock en kostsam monteringsprocess, eftersom den kräver kostsamma och tidskrävande mätningar och urval av komponenter.

Samma urvalsförfarande används även inom var och en av modulema, men när energilagret sätts samman av ett antal sådana moduler kan de olika modulerna ha inbördes olika karakteristika så att en spärmíngsobalans uppstår.

Vidare kommer cellernas karakteristika att variera med tiden. De olika superkondensatoremas karaktefistika kommer därför att förändras med tiden även om cellemas karakteristika i allt väsentligt var identiska när energilagret och/eller modulema monterades. De olika superkondensatorerna kan utsättas för olika temperaturlörhållanden till följd av skilda arbetstemperaturer beroende på t.ex. exponering fór solljus, omgivningens temperatur, motortemperatur, asymmetriska kylsystem eller liknande. Det får karakteristika för varje cell, och även för varje modul, att förändras med tiden. 10 15 20 25 30 535 419 Dessutom kan applicering av en för hög spänning över en cell resultera i en sänkt kapacitans för cellen, där kapacitansen sänks olika för varje cell. När kapacitansen sänks blir spänningen över cellen ännu högre, eftersom spänningen över en kondensator är omvänt proportionell mot kondensatoms kapacitans; U=Q, c där U är spänningen, Q laddningen över ledama och C är kapacitansen.

Vidare uttrycks laddningen som Q =ñ Iidt, där i är strömstyrkan. Därför har alla serieanslutna celler samma laddning Q eftersom samma strömstyrka i löper genom dem alla.

Spänningsforrneln U =% för dessa serieanslutna celler kan då förenklas till formeln U ~ Av denna förenklade formel framgår klart att ett lägre värde på kapacitansen C resulterar i ett högre värde på spänningen U. Därför åldras superkondensatorerna allt snabbare vid överladdning av cellen, vilket resulterar i en allt större spärmingsobalans mellan cellerna och/eller modulerna.

Det finns därför ett behov av en förbättrad spänningsfördelning mellan cellema i ett energilager med flera celler.

I det med teknikens ståndpunkt överensstämmande dokumentet EP 1641099 är en zenerdiod ansluten över varje superkondensator för att begränsa den maximala spänningen över superkondensatorn till diodens zenerspänning, tex. 2,5 V, under laddning. Effektförlusten för denna lösning är dock avsevärd för högre strömstyrkor, vilket resulterar i omfattande värmeutveckling. I enlighet med teknikens ståndpunkt är därför värme en oönskad biprodukt som måste tas om hand med hjälp av kylning i forrn av kylenheter, kylflänsar eller liknande.

I det med teknikens ståndpunkt överensstämmande dokumentet US6278604 presenteras en anordning för begränsning av spärmingen över varje cell i ett energilager med flera celler genom att kontinuerligt leda förbi ström genom en läckresistans för att därigenom fördela spänningen mellan cellerna. Det framgår här att det är skadligt för cellerna om de används 10 15 20 25 30 5315 419 nära kondensatoremas märkspänningar under tidsperioder som överstiger en viss tid. I enlighet med teknikens ståndpunkt kan sådana höga spänningar minskas om en ekvivalent extra läckresistans ansluts parallellt med varje cell, dvs. parallellt med cellens läckresistans.

Cellemas läckresistanser är här oberoende av de extra parallella resistansema, varvid de extra läckresistanserna kan användas för att justera cellemas läckresistanser så att cellerna i allt väsentligt får samma resulterande läckresistans efter tillägg av de extra läckresistorerna.

Den stationära spänningen över varje cell bestäms av produkten mellan läckströmmen och läckresistansen. Läckströmmen är här densamma för alla cellema, efiersom den erhålls genom en anordning som håller energilagret under konstant spänning, dvs. stationär. Därför beror den stationära spänningen inte på cellemas kapacitans, och alla celler med samma resulterande läckresistans har även samma spänning över sig. Den extra resistansen är här en integrerad del av ett energilager med flera celler. Genom denna parallellanslutna ekvivalenta extra läckresistans sänks den totala läckresistansen, varför även spänningen över cellen sänks.

Det sägs även i US6278604 att en diskret diod kan anslutas parallellt med cellen för att minska dessa höga spänningar över cellen. Användningen av en diskret diod i stället för en resistor i denna lösning skulle dock introducera en spänningsberoende resistans med likartat beteende som en zenerdiod. Detta skulle därför medföra en betydande effekttörlust och värmeutveckling, vilken måste avhjälpas med kylning.

Lösningen i enlighet med teknikens ståndpunkt som presenteras i US6278604 har en rad nackdelar. En nackdel är att den bara är praktiskt användbar för statiska implernenteringar där statiska (icke-varierande) spänningsnivåer används. För dynamiska implernenteringar med varierande spänningsnivåer, såsom implementeringar i fordon och liknande, skulle denna lösning i enlighet med teknikens ståndpunkt fungera dåligt, eñersom den inte kan balansera spänningsskillnader till följd av olika kapaciteter i en dynamisk implementering.

Användningen av läckresistorer i enlighet med denna lösning i enlighet med teknikens ståndpunkt har dessutom negativa följder. Den extra läckresistansen ger upphov till betydande standby-förluster, vilka måste avhjälpas med ytterligare kylning. Vidare skulle en enda havererad resistor i en cell öka denna cells läckresistans och orsaka kaskadfel i systemet, vilket skulle resultera i ett icke-robust system. 10 15 20 25 30 535 419 Vidare måste komponenter för extra läckresistanser uppfylla både elektriska och mekaniska krav, t.ex. måste elektriskt ledande gummi användas i stället fór vanligt gummi som bara uppfyller de mekaniska kraven. Detta leder till kompromisser i fråga om prestanda, eftersom praktiskt taget inga komponenter är optimerade i både elektriska och mekaniska avseenden.

Derma kompromiss resulterar i prestandaförsämringar fór dynamiska implementeringar.

Vidare kan inte lösningen i enlighet med teknikens ståndpunkt som presenteras i US6278604 hantera skillnader i kapacitans särskilt väl. Här resulterar 10% kapacitansskillnad mellan tvâ celler i en spänningsskillnad på omkring 10% mellan cellema, eftersom den extra läckresistansen är för liten för att kunna leda förbi l0% av strömmen och förebygga ojämn spänningsfördelning i energilagret.

En annan nackdel är att ett stort antal extra läckresistanser, en extra läckresistans per cell, måste kontrolleras fór att få en ekvivalent läckresistans. Detta leder till en dyr tillverkningsprocess eftersom cellmätningar och komponentval måste göras för var och en av detta stora antal extra läckresistanser.

Därför ökar lösningarna i enlighet med teknikens ståndpunkt tillverkningskostnadema, misslyckas med att ge en jämn spänningsfórdelning över tid till följd av det faktum att superkondensatorers karakteristika förändras med tiden eller genererar oönskad värme som måste tas om hand.

Uppfinningens syfte och viktigaste funktioner Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en anordning fór balansering av ett tillfälligt energilager samt en metod för balansering av ett tillfälligt energilager som löser ovan nämnda problem.

Föreliggande uppfinning avser att tillhandahålla en robust balansering av ett tillfälligt energilager som är mer effektivt än de förfaranden för balansering av energilager som är kända inom ramen för teknikens ståndpunkt. 10 15 20 25 30 535 4'l9 Syftet uppnås genom ovan nämnda anordning för balansering av ett tillfälligt energilager i enlighet med den kännetecknande delen av krav 1.

Syftet uppnås även genom ovan nämnda tillfälliga energilager innehållande en sådan anordning som avses i enlighet med den kärineteeknande delen av krav 9.

Syfiet uppnås även genom ovan nämnda fordon i enlighet med den kännetecknande delen av krav 10.

Syftet uppnås även genom ovan nämnda metod för balansering av ett tillfälligt energilager i enlighet med den kännetecknande delen av krav l l.

Balanseringen av ett tillfälligt energilager i enlighet med föreliggande uppfinning kärmetecknas av att anordningen innehåller en diodanordning som bara leder ström i en riktning och som är ansluten parallellt med minst två av det tillfälliga energilagrets superkondensatorer, dvs. diodanordningen är ansluten parallellt med en grupp av celler.

Diodanordningen är ansluten i en sådan riktning att den bara leder ström om polariteten över de till antalet minst två superkondensatorema blir omvänd relativt en laddningsspärming som används för att ladda sagda tillfälliga energilager. På så sätt börjar diodanordningen leda ström om polariteten över de till antalet minst två superkondensatorema blir omvänd, så att den omvända polariteten motverkas.

Föreliggande uppfinning har en rad fördelar. Den sänker tillverkningskostnadema fór det tillfälliga energilagret, eftersom ett relativt lågt antal konventionella lågprisdioder, endast en diodanordning per minst två celler, används, samtidigt som ingen justering är nödvändig fór uppfinningens diodanordning. Detta är en stor förbättring jämfört med teknikens ståndpunkt, där en diod eller resistor behövs per cell och där karakteristika för den díoden eller resistom måste väljas noggrant för att uppnå den önskade effekten. Dioden kan dessutom appliceras externt i förhållande till cellerna och behöver inte placeras internt inom dem.

Dessutom löser föreliggande uppfinning situationen där superkondensatorema utsätts för omvänd polaritet, medan lösningarna i enlighet med teknikens ståndpunkt är inriktade på situationer där energilagret laddas. Det faktum att föreliggande uppfinning fokuserar på 10 15 20 25 30 535 flfilå problemet med omvänd polaritet resulterar i att superkondensatoremas nedbrytning minskar och att ingen processorenhet behövs för att styra balanseringsprocessen, vilket gör lösningen i enlighet med föreliggande uppflnning mycket enkel att implementera på ett sätt som endast ökar systemets komplexitet i mycket liten grad.

Föreliggande uppfinning erbjuder därför ett tillfälligt energilager som är lättare att implementera, snabbare och robustare än energilager i enlighet med teknikens ståndpunkt.

Föreliggande uppflnning fungerar väl i dynamiska system, såsom systern för olika typer av fordon och liknande.

Föreliggande uppfinning erbjuder god balansering, vilket resulterar i drifispärmingar nära en spänning som är optimal och effektiv för energilagret.

Efiersom föreliggande uppflnning dessutom baseras på en diodlösning i stället för läckresistorer, utgör den en robust lösning utan ovan nämnda nackdelar hos lösningar baserade på läckresistariser. Risken för kaskadfel minskar därför avsevärt. Standby-förlustema sänks dessutom avsevärt och det finns därför inget behov av kylning i det avseendet. Visare är föreliggande uppfinning väl lämpad att klara kapacitansskillnader.

I enlighet med ett utförande av uppfinningen är balanseringsanordningen utformad för att utföra balanseringen under urladdning av det tillfälliga energilagret. Efiersom balanseringen utförs under urladdning kan implementeringen göras med mycket låg komplexitet. Det beror på det faktum att urladdning, och därmed balansering, kan aktiveras med förinställda intervaller, t.ex. varje natt, vilket kan uppnås med mycket liten extra komplexitet. I lösningar i enlighet med teknikens ståndpunkt måste en eventuell obalans hela tiden övervakas, vilket kräver användning av en processorenhet för styrning av balanseringsprocessen. Dessutom kan balansering i enlighet med föreliggande uppfinning utföras mycket snabbt, eftersom mycket litet överskottsvärme måste tas om hand, vilket resulterar i förbättrad upptid och tillgänglighet.

I enlighet med ett utförande av föreliggande uppfinning är det tillfälliga energilagrets superkondensatorer grupperade tillsammans i moduler, antingen logiskt eller fysiskt, och minst en diodanordning för balansering är ansluten parallellt med samtliga lO 15 20 25 30 535 4'l'šl superkondensatorer i en modul. I ett tillfälligt energilager baserat på detta utförande av föreliggande uppfinning kan därför varje modul förses med en diodanordning som ansluts parallellt med samtliga superkondensatorer i modulen. Här kan därför dioden anslutas extemt, utanför modulens hölje.

Detta utförande har fördelen att en enkel och robust balansering av modulerna, och därigenom av det tillfälliga energilagret, uppnås. Genom detta utförande uppnås dessutom mycket låga negativa spänningar över endast ett fåtal av modulerna under urladdning, eftersom diodanordningen kopplar eventuella negativa spänningar förbi modulerna så att spänningen inte vänds över modulema i någon större omfattning, vilket även minskar nedbrytningen av modulemas superkondensatorer. En externt applicerad diod är dessutom lätt att byta ut.

Dessutom är detta utförande mycket praktiskt och effektivt för situationer där modulerna har inbördes olika egenskaper, och där varje egenskap kan förändras med tiden.

Dessutom kan tillverkningskostnaderna sänkas genom detta utförande av föreliggande uppfinning, eftersom standardmoduler till lågt pris kan anslutas till varandra och skillnaderna mellan standardmodulemas karakteristika kompenseras för genom att anordnas i enlighet med utförandet. En sådan enkel tillverkning är omöjlig i lösningarna i enlighet med teknikens ståndpunkt, där resistorema eller diodema som svarar för balanseringen måste vara integrerade delar av energilagren.

I enlighet med ett utñrande av föreliggande uppfinning är minst en av de omvända diodanordningama ansluten parallellt med en delmängd av modulens superkondensatorer. l detta utförande är det en fördel om bara superkondensatorema inom varje delmängd av modulen har identiska eller kompenserade egenskaper.

Balansering av grupper av celler som innehåller minst två celler, t.ex. balansering på modulnivå, i enlighet med föreliggande uppfinning, minskar dessutom den omvända polariteten ßr gruppen av celler, i t.ex. modulema, eftersom polariteten här inte påverkas i någon högre grad av framspänningsfallet hos dioden som är ansluten till gruppen av celler.

Generellt sett har dioder ett positivt framspärmingsfall i storleksordningen 0,1 V. Skulle en backdiod användas för varje enskild cell, såsom har föreslagits i enlighet med teknikens ståndpunkt, skulle skyddet mot negativa spänningar över cellema inte vara tillräckligt ens om 10 15 20 25 30 535 419 10 0,1 eller 0,2 V schottkydioder användes. l enlighet med föreliggande uppfinning fördelas en diods framspänningsfall över minst två celler, vilket resulterar i att bara en del av framspänningsfallet hos dioden som är ansluten till gruppen av celler påverkar varje cell.

Resterande negativa spänningar som påverkar enstaka celler kan vid behov motverkas på andra sätt, t.ex. genom användning av resistorer såsom föreslås i enlighet med teknikens ståndpunkt.

Detaljerade typiska utföranden och fördelar med balansering av ett tillfälligt energilager i enlighet med uppfinningen beskrivs i det följande med hänvisning till bifogade ritningar som visar några adekvata utföranden.

Kort beskrivning av ritningama Fig. 1 visar schernatiskt ett tillfälligt energilager i enlighet med teknikens ståndpunkt.

Fig. 2 visar schernatiskt ett tillfälligt energilager i enlighet med ett utförande av uppfinningen.

Fig. 3 visar schematiskt ett tillfälligt energilager i enlighet med ett utförande av uppfinningen.

Fig. 4 visar schematiskt ett tillfälligt energilager i enlighet med ett utförande av uppfinningen.

Fig. S visar schematiskt ett tillfälligt energilager i enlighet med ett utförande av uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av adekvata utföranden Genom föreliggande uppfinning tillhandahålls en anordning fór balansering av ett tillfälligt energilager som innehåller ett antal serieanslutna superkondensatorer.

Balanseringsanordningen innehåller minst en omvänt ansluten diodanordning, dvs. diodanordningen är omvänd i förhållande till den nonnala arbetsspänningen över kondensatom, där den normala arbetsspänningen är spärmingen över kondensatom när den laddas och när den lagrar energi. Diodanordningen är en standarddiodanordning som enbart leder ström i en riktning, och är därmed inte t.ex. en zenerdiod som under vissa förhållanden kan leda ström i två riktningar.

I bruk ansluts minst en diodanordning för balansering parallellt med minst två av det tillfälliga energilagrets superkondensatorer, och i en riktning så att diodanordningen leder ström om polariteten över de berörda superkondensatorema blir omvänd. Här, och i detta dokument, sägs polariteten över en superkondensator vara omvänd om spänningen över superkondensatom är negativ jämfört med spänningen som appliceras över lO 15 20 25 30 536 4'|9 ll superkondensatorerna när de laddas. Polariteten är därför omvänd jämfört med den laddningsspänning som används för att ladda det tillfälliga energilagret. Med andra ord är superkondensatorns polaritet omvänd jämfört med spänningen över superkondensatom under normal drift, Lex. när den lagrar energi för senare användning av systemet.

Föreliggande uppfinning baseras på en diodlösning i stället för på en lösning med läckresistanser som används i vissa lösningar i enlighet med teknikens ståndpunkt. Därigenom erbjuder föreliggande uppfinning ökad robusthet, efiersom detta väsentligt minskar risken för kaskadfel till följd av fel i en enstaka komponent. Dessutom har föreliggande uppfinning mycket låga standby-förluster.

I enlighet med ett utförande kan det tillfälliga energilagret innehålla en eller flera moduler som var och en innehåller ett antal superkondensatorceller som är anslutna i serie inom modulen.

Vidare, i enlighet med den föreliggande uppfinningens metod, balanseras det tillfälliga energilagret med hjälp av uppfinningens balanseringsanordning. Här tillämpas principen att balanseringsanordningens till antalet minst en diodanordning enbart leder ström i en riktning och har anslutits parallellt med minst två av det tillfälliga energilagrets superkondensatorer.

Därigenom börjar en diodanordning leda ström om polaritetcn för de till antalet minst två superkondensatorerna över vilka diodanordningen är ansluten blir omvänd jämfört med spänningen över de till antalet minst två superkondensatorerna vid lagring av energi, så att den omvända polaritetcn motverkas och balansering utförs. l princip medför den omvända diodanordningens förbikoppling av urladdningsströmmen att risken för omvänd polaritet minskar för modulema, såsom förklaras nedan i anslutning till figur 2.

Lösningen i enlighet med föreliggande uppfinning sänker tillverkningskostnadema jämfört med lösningar i enlighet med teknikens ståndpunkt, där komponenter såsom zenerdioder ansluts över var och en av modulens superkondensatorer. Antalet diodanordningar i föreliggande uppfinning är sålunda mycket mindre än antalet komponenter som används i lösningar i enlighet med teknikens ståndpunkt. Dessutom måste var och en av komponenterna som används i lösningari enlighet med teknikens ståndpunkt, såsom zenerdioder eller resistorer, justeras till följd av varierande temperaturer över tid, medan inga justeringar lO 15 20 25 30 536 419 12 behövs för lösningen i enlighet med föreliggande uppfinning. Till följd av låga förluster kan dessutom den omvända diodanordningen mycket enkelt utformas för energilagrets nominella strömstyrka, vilket också sänker tillverkningskostnadenia.

Genom föreliggande uppfinning kan därför spänningsskillnader mellan ett antal superkondensatorer eller moduler i ett tillfälligt energilager utjämnas enkelt och effektivt.

Detta uppnås genom att balansera det tillfälliga energilagrets superkondensatorer under urladdning såsom beskrivs ovan.

Eftersom det tillfälliga energilagrets anordning för balansering är utformad för att uppnå balans under urladdning, kan en mycket snabb utjämning av spänningarna över superkondensatorema eller modulema göras järnfört med för systern som utför utjämningen under laddning av modulema. Detta beror på det faktum att den effekt som orsakar värmeförluster resulterar från att urladdningsströmmen multipliceras med diodanordningens inbyggda potential, som är relativt låg för de diodanordningar som används i föreliggande uppfinning, typiskt omkring 0,3 V. Den relativt låga inbyggda potentialen resulterar även i en låg värmeutveckling. Urladdningen och balanseringen kan utföras relativt snabbt eftersom inte så mycket värme genereras och inga kylningsfórfaranden krävs. Som jämförelse är zenerspänningen hos en zenerdiod som används i en lösning i enlighet med teknikens ståndpunkt mycket högre än den inbyggda potentialen hos en standarddiod, typiskt omkring 2,5 V, vilket resulterar i en mycket högre värmeutveckling. Balanseringskretsar baserade på zenerdioder måste därför göra många pauser under laddning för att inte generera för mycket värmeenergi. Typiskt måste anordningar baserade på zenerdioder vila i flera tiotals minuter eller till och med timmar vid vissa spänningar för att inte överhettas.

Dessutom erbjuder föreliggande uppfinning en lösning med låg komplexitet eftersom det inte behövs någon processor för att aktivera processen. Balanseringsprocessen utförs automatiskt, driven av det grundläggande normala beteendet hos diodanordningen som aktiveras av spänningama över cellerna och/eller modulema under urladdning. Balanserings- och utjämningsförfarandet som utförs av uppfinningen behöver därför inte styras när urladdningen väl har inletts. Urladdningen kan schernaläggas på ett väldigt lågkomplext sätt, t.ex. i samband med fordonets nattuppehåll, så att ingen processorkrafi behövs för att övervaka obalanssituationen eller för att aktivera urladdningen. 10 15 20 25 30 5315 4'l'šl 13 I enlighet med ett utförande av föreliggande uppfinning är den omvända diodanordningen ansluten parallellt med samtliga superkondensatorer i en modul. Diodanordningen är här ansluten över hela modulen fór att balansera samtliga serieanslutna superkondensatorer i modulen som helhet. Figur 2 visar schematiskt ett icke-begänsande exempel på ett tillfälligt energilager 200 i enlighet med detta utförande av uppfinningen, innehållande tre serieanslutna moduler 210, 220, 230, där polariteten för energilagrets laddningsspänning indikeras med plus- och minustecken. Sålunda indikeras också superkondensatoremas polaritet när de lagrar energi av dessa plus- och minustecken.

Den första av dessa moduler, 210, innehåller fyra serieanslutna superkondensatorer 211, 212, 213, 214. Den andra av dessa moduler, 220, innehåller fyra serieanslutna superkondensatorer 221, 222, 223, 224. Den tredje av dessa moduler, 230, innehåller fyra serieanslutna superkondensatorer 231, 232, 233, 234. Såsom förstås av en fackman kan ett sådant tillfälligt energilager 200 innehålla i princip valfritt antal moduler, där var och en av modulema kan innehålla i princip valfritt antal superkondensatorer. Generellt sett bestäms antalet moduler och/eller superkondensatorer i energilagret av vilket användningsområde som energilagret är avsett fór. I enlighet med föreliggande uppfinning är dessutom minst en av modulema 210, 220, 230 försedd med en anordning 215, 225, 235 för balansering av modulen.

Balanseringsanordningama 215, 225, 235 innehåller minst en diodanordning som enbart leder ström i en riktning, dvs. diodanordningen är inte t.ex. en zenerdiod. Varje diodanordning är ansluten parallellt i omvänd riktning med samtliga superkondensatorer i respektive modul.

Varje diodanordning är därför ansluten parallellt med samtliga serieanslutna superkondensatorer i en modul, så att diodanordningen leder ström om modulens polaritet, dvs. över samtliga superkondensatorer i modulen, blir omvänd jämfört med superkondensatoremas polaritet när de lagrar energi. Därigenom uppnås en enkel och robust lösning för balansering av superkondensatorerna, med utjämning av spänningama över modulema 21 O, 220, 230, eftersom de obalanserade modulema kan balanseras under urladdning. Därigenom uppnås utjämning av modulema 210, 220, 230 genom att de laddas ur helt så snart en obalans upptäcks, varvid en total spärming på 0 V uppnås för det tillfälliga energilagret och för alla modulema 210, 220, 230. I enlighet med föreliggande uppfinning gör 10 15 20 25 30 536 4'l9 14 balanseringsanordningarna 215, 225, 235 det möjligt att utföra derma urladdning så att utjämning enkelt uppnås, såsom förklaras i det följande.

Generellt sett sänks spänningen lika mycket för var och en av modulema 210, 220, 230 vid urladdning. Föreligger det därför en obalans mellan modulema kommer de olika modulema inte att nå modulspänningen 0 V samtidigt vid urladdning och spänningen över en cell i modulen kommer också att ha ett stort negativt värde. Som ett exempel avseende det energilager i enlighet med teknikens ståndpunkt som visas i figur 1, och som är drabbat av laddningsläckage till följd av t.ex. ojämna läckströmmar, kan, om en första spänning över den första modulen 110 är lika med 70 V, en andra spänning över den andra modulen 120 är lika med 100 V och en tredje spärming över den tredje modulen 130 är lika med 100 V i obalanserat tillstånd, en total spänning fór energilagret på 0 V uppnås efter urladdning. Efter urladdning är dock den första spänningen -20 V, den andra spänningen +10 V och den tredje spänningen +10 V, vilket resulterar i en total spänning på O V. Såsom framgår av detta exempel har dock spänningama över de olika modulema egentligen inte utjämnat, och spänningen över en av modulema har dessutom ett stort negativt värde.

I enlighet med det utförande av föreliggande uppfinning som visas i figur 2, medför anslutning av en diodanordning parallellt med var och en av modulema i en riktning så att diodanordningen leder ström om polariteten över modulen blir omvänd relativt den laddningsspänning som används för att ladda det tillfälliga energilagret att spärmingen i stället sänks fór alla modulema så att en jämnare spänningsnivå uppnås för modulema, dvs. en utjämning av spänningama mellan modulerna uppnås. Detta beror på det faktum att omvända spänningar, dvs. negativa spänningar för modulema, minimeras av den omvänt anslutna diodanordningen. Den omvända diodanordningens förbikoppling av urladdningsströmmen får till följd att omvänd polaritet minimeras för de moduler som uppnår modulspänningen 0 V under urladdning. Därigenom kan urladdningen av spänningen, och därmed balanseringen av modulema, fortsätta tills alla överspärmingar når 0 V och alla modulerna är urladdade.

I exemplet ovan skulle föreliggande uppfinning uppnå lika laddningar även med laddningsläckage i cellema. Den första spänningen skulle efter en sådan urladdning typiskt vara -0,3 V, den andra spänningen typiskt +0,l 5 V och den tredje spänningen typiskt +0,l 5 V, vilket också resulterar i en total spänning på 0 V. Nivåema för de första, andra och 10 15 20 25 30 536 -lVlEl 15 tredje spänningama uppgår i detta exempel till -0,3 V, +0,l 5 V respektive +0,l5 V, och är alla resultatet av spärmingsnivåer enligt diodanordningens diodkarakteristika. En fackman inser att andra diodanordningar skulle resultera i andra värden efter urladdning i enlighet med detta utförande av uppfinningen.

I enlighet med detta utförande av uppfinningen uppnås generellt sett mycket lägre negativa spänningar över några av modulema genom balansering av superkondensatorema under urladdning. Diodanordningen, som är omvänd jämfört med den normala spänningen över superkondensatom, tar automatiskt hand om den negativa spärmingen över modulen, så att spänningen inte blir omvänd över modulen i någon större omfattning. Det har visats att en spänning på upp till -0,7 V, dvs. en negativ spänning på 0,7 (för en Si-diod), över en cell inte är särskilt skadligt för superkondensatorema, medan däremot högre negativa spänningar är mycket skadliga för cellema till följd av nedbrytning av superkondensatorema. Föreliggande uppfinning minskar omvända spänningar över cellerna, vilket även minskar nedbrytningen av superkondensatorema.

I detta utförande av uppfinningen, där den omvända diodanordningen är ansluten parallellt över hela modulen, är spänningen i diodens ledande tillstånd mycket låg jämfört med modulspänningen över modulen, som kan innehålla ett stort antal celler. Dessutom kan energilagret utfonnas och monteras på modulnivå, vilket är kostnadseffektivt. Generellt sett kan moduler som innehåller superkondensatorer köpas till en relativt låg kostnad. Dessa moduler har normalt monterats separat så att superkondensatorema inom varje modul har likartade karakteristika. Ofta innehåller varje modul kylningsanordningar, och dessa fungerar ofta bra separat. När ett antal sådana moduler monteras i serie med varandra för att bilda ett energilager orsakar dock olika moduler, som eventuellt har olika modulkarakteristika till följd av det faktum att de olika modulema ofta har monterats med användande av superkondensatorer med olika karakteristika, outjärrinad spänningsfórdelning inom energilagret.

Genom detta utförande av uppfinningen kan olika moduler med olika karakteristika enkelt monteras tillsammans i serie, eftersom skillnaderna kompenseras av de omvända diodanordningar som ansluts parallellt med var och en av modulema. Detta sänker 10 15 20 25 30 535 4'i9 16 tillverkningskostnaderna eñersom relativt prisbilliga standardmoduler kan anslutas tillsammans så länge som kapacitansema håller sig inom vissa gränser.

Vidare är i enlighet med ett utförande av föreliggande uppfinning var och en av de minst en omvända diodanordningama anslutna parallellt med en delmängd av modulens superkondensatorer. Ett exempel på ett sådant utförande visas schematiskt i figur 3. Här innehåller energilagret 300 tre serieanslutna moduler 310, 320, 330, var och en försedd med en anordning 315, 325, 335 för balansering av modulerna med en diodanordning ansluten över två av superkondensatorerna, 312 och 313, 322 och 323 respektive 332 och 333, i var och en av modulema. Såsom förstås av en fackman kan det tillfälliga energilagret 300 innehålla i princip valfritt antal moduler, var och en med i princip valfritt antal superkondensatorer. Polariteten för energilagrets laddningsspänning, och därmed även superkondensatorernas polaritet när de lagrar energi, indikeras med plus- och minustecken i figuren.

I enlighet med detta utförande av uppfinningen är diodanordningen ansluten över i princip valfritt antal mellan två och det totala antalet serieansluta superkondensatorer i modulen, så att omvänd polaritet undviks för denna delmängd av superkondensatorema. Vidare kan i enlighet med detta utförande av uppfinningen en eller flera av modulema 310, 320, 330 innehålla två eller flera sådana diodanordningar.

I enlighet med ett utförande av uppfinningen skall varje modul i det tillfälliga energilagret innehålla en diod ansluten parallellt med minst två av dess superkondensatorer, om det inte kan visas att modulens kapacitans och läckresistans båda är högre för modulen utan diod än kapacitansen och läckresistarisen för var och en av det tillfälliga energilagrets övriga moduler som alla innehåller en sådan diod. Dessutom, om flera moduler är anordnade så att de inte har några dioder anslutna parallellt med minst två av superkondensatorema, så skall alla moduler som saknar en sådan diod ha likartade kapacitanser och läckresistanser. Minst en av det tillfälliga energilagrets moduler har dock minst en diod ansluten parallellt med minst en av sina superkondensatorer.

I enlighet med ett utförande av föreliggande uppfinning är den omvända diodanordningen ansluten parallellt med samtliga superkondensatorer i ett par moduler, där modulerna själva 10 15 20 25 30 535 419 17 också är anslutna parallellt i par. Figur 4 visar schernatiskt ett icke-begränsande exempel på ett tillfälligt energilager 400 i enlighet med detta utförande av uppfinningen, innehållandet tre par moduler 410 och 410”; 420 och 420” samt 430 och 430”. Inom vart och ett av dessa par är modulema anslutna parallellt. Sålunda är modul 410 i det fórsta paret parallellansluten med modul 41 O', modul 420 i det andra paret med modul 420” och modul 430 i det tredje paret med modul 430”. De kompletta paren är därefter anslutna i serie såsom visas i figur 4.

Sålunda är det första modulparet 410, 410” anslutet i serie med det andra modulparet 420, 420” och med det tredje modulparet 430, 430”.

I figur 4 indikeras polariteten fór spärmingen som används för att ladda energilagret med plus- och minustecken. Sålunda indikeras också superkondensatoremas polaritet när de lagrar energi av dessa plus- och minustecken.

Var och en av modulema 410, 4l0”, 420, 420”, 430, 430” innehåller fyra serieanslutna superkondensatorer. Sålunda innehåller modul 410 superkondensatorema 411, 412, 413, 414; modul 410” superkondensatorema 41 l”, 4l2”, 41 3”, 4l4”; modul 420 superkondensatorerna 421, 422, 423, 424; modul 420” superkondensatorema 421 ”, 422”, 423”, 424”; modul 430 superkondensatorema 431, 432, 433, 434 och modul 430” superkondensatorema 431 ”, 4322 4332 434”. 1 enlighet med föreliggande uppfinning är minst ett av det fórsta modulparet 410, 41 O”, det andra modulparet 420, 420” och det tredje modulparet 430, 430” försett med en anordning 415, 425, 435 för balansering av modulparets moduler.

Balanseringsanordningama 415, 425, 435 innehåller minst en diodanordning.

Diodanordningarna är omvänt anslutna parallellt med samtliga superkondensatorer i varje modulpar, och diodanordningama blir ledande om polariteten över modulen blir omvänd järnfört med superkondensatoremas polaritet när de lagrar energi.

Såsom dock förstås av en fackman kan ett sådant tillfälligt energilager 400 innehålla i princip valfritt antal moduler, där var och en av modulema kan innehålla i princip valfritt antal superkondensatorer. 1 enlighet med ett utförande av föreliggande uppfinning är modulema anslutna parallellt i par.

Figur 5 visar schematiskt ett icke-begränsande exempel på ett tillfälligt energilager 500 i lO 15 20 25 30 536 419 18 enlighet med detta utförande av uppfinningen, innehållandet tre par moduler 510 och 5l0'; 520 och 520” samt 530 och 530”. Inom varje par är modulerna anslutna parallellt. Sålunda är modul 510 i det första paret parallellansluten med modul 51 0°, modul 520 i det andra paret med modul 520' och modul 530 i det tredje paret med modul 530”. De kompletta paren är därefter anslutna i serie såsom visas i figur 5. Sålunda är det första modulparet 510, 510' anslutet i serie med det andra modulparet S20, 520” och med det tredje modulparet 530, 530”.

Var och en av de till antalet minst en omvända diodanordningama är ansluten parallellt med en delmängd av superkondensatorema inom en modul. Ett exempel på ett sådant utförande visas schematiskt i figur 5, där var och en av modulema 510 och 5l0'; 520 och 520' samt 530 och 530' är försedd med en anordning 515 och 5l5”, 525 och 525' respektive 535 och 535' för balansering av modulema.

Anordningen innehåller en diodanordning som är ansluten över två av superkondensatorema i var och en av modulerna. Såsom förstås av en fackman kan ett sådant tillfälligt energilager 500 innehålla i princip valfritt antal moduler, var och en med i princip valfiitt antal superkondensatorer. Polariteten för energilagrets laddningsspärming, och därmed även superkondensatoremas polaritet när de lagrar energi, indikeras med plus- och minustecken.

I enlighet med detta utförande av uppfinningen är diodanordningcn ansluten över i princip valfritt antal mellan två och det totala antalet seiieansluta superkondensatorer i modulen, så att omvänd polaritet undviks för denna delmängd av superkondensatorema. Vidare kan i enlighet med detta utförande av uppfinningen en eller flera av modulema 510 och 5l0°; 520 och 520' samt 530 och 530' innehålla två eller flera diodanordningar.

I enlighet med ett utförande av föreliggande uppfinning är de till antalet minst en av diodanordningama placerade utanför modulens hölj e, såsom visas schematiskt för ett utförande i figur 2, men kan även användas för andra utföranden. Denna implementering har den fördelen at diodanordningen är lätt åtkomlig för utbyte eller service. Dessutom kan detta utförande användas för balansering av moduler utan att behöva öppna deras höljen, vilket kan vara praktiskt när en snabb och enkel installation av balanseringsanordningen är önskvärd för köpta moduler. 10 15 20 25 30 535 479 19 I enlighet med ett utförande av föreliggande uppfinning är de till antalet minst en av diodanordningama placerade innanför modulens hölje, såsom visas schematiskt för ett utförande i figur 3, men kan även användas för andra utföranden. Detta har fördelen att det skyddar diodanordningen från t.ex. vatten och mekanisk åverkan när det tillfälliga energilagret används i t.ex. en krävande miljö.

Såsom är uppenbart för en fackman kan diodanordningama vara placerade utanför höljet för några moduler och innanför höljet för andra moduler i ett tillfälligt energilager med en pluralitet av moduler. Dessutom kan både utförandet där diodanordningama är anslutna parallellt med modulens alla superkondensatorer och utförandet där diodanordningarna är anslutna parallellt med en delmängd av modulens superkondensatorer förses med en diodanordning på antingen insidan eller utsidan av modulens hölje.

Vidare kan de omvända diodanordningama i allt väsentligt utgöras av valfria diodanordningar som enbart leder ström i en riktning, såsom schottkydioder, Si-dioder eller liknande. Var och en av dessa diodtyper har olika karakteristika som kan utnyttjas inom ramen för uppfinningen.

Till exempel kan schottkydioders låga inbyggda potential utnyttjas för att snabba upp utjärnningsförfarandet ännu mer, eftersom ännu mindre effekt avges som värme.

I enlighet med ett utförande av uppfinningen innehåller diodanordningen minst två dioder.

Dessa dioder ansluts sedan parallellt och/eller seriellt med varandra. Detta har en fördel i form av förbättrade egenskaper för diodanordningen, vilket resulterar i ökad driftsäkerhet för balanseringsanordningen.

Balanseringsanordningen och metoden för balansering i enlighet med uppfinningen kan modifieras av fackmannen relativt de ovan beskrivna typiska utfórandena.

Såsom är uppenbart för fackmannen kan ett antal andra implementeringar, modifieringar, variationer och/eller tillägg göras till de typiska utföranden som beskrivs i det ovanstående.

Det bör observeras att uppfinningen innefattar alla sådana andra implementeringar, modifieringar, variationer och/eller tillägg som omfattas av kraven.

Claims (14)

10 15 20 25 30 536 419 20 Krav

1. Anordning for balansering av ett tillfälligt energilager (300) som innehåller en pluralitet av serieanslutna superkondensatorer (31 1-314; 321-3 24; 331-334), där sagda anordning innefattar minst en diodanordning (3 15; 325; 335) som enbart leder ström i en riktning, kännetecknad av att var och en av sagda till antalet minst en av diodanordningama (315; 325; 335) är ansluten parallellt med minst två av superkondensatorema (312-313; 322-323; 332-333) i sagda pluralitet av superkondensatorer(311-314; 321-324; 331-334), och i en riktning så att sagda diodanordning (315; 325; 335) blir ledande om polariteten över sagda minst två superkondensatorer (312-313; 322-323; 332-333) blir omvänd jämfört med polariteten för laddningsspärmingen som används för att ladda sagda tillfälliga energilager (300), och att sagda pluralitet av superkondensatorer (311-314; 321-324; 331-334) är grupperade i minst en modul (3 10; 320; 330), och minst en av sagda till antalet minst en av diodanordningama (3 15; 325; 335) är ansluten parallellt med en delmängd av de superkondensatorer (31 1-314; 321-324; 331-334) som ingår i sagda till antalet minst en modul (310; 320; 330).

2. Anordning i enlighet med krav 1, där sagda anordning är anordnad for att balansera sagda tillfälliga energilager (300) under urladdning av sagda tillfälliga energilager (300).

3. Anordning i enlighet med något av kraven 1-2, där sagda diodanordning (3 15; 325; 335) innehåller minst två dioder som är anslutna tillsammans i enlighet med minst en av följande anslutningstyper: ~ serieanslutning, och - parallellanslutning.

4. Anordning i enlighet med något av kraven 1-3, där sagda diodanordning (3 15; 325; 335) innefattar minst en diod (3 15; 325; 335) av följande typer: - schottkydiod. och - Si-diod. 10 15 20 25 30 535 439 21

5. Anordning i enlighet med något av kraven l-4, där sagda pluralitet av superkondensatorer (31 1-3 14; 321-324; 331-334) är grupperade i minst en modul (3 1 0; 320; 330), och minst en av sagda till antalet minst en av diodanordningama (3l5; 325; 335) år ansluten parallellt med samtliga superkondensatorer (31 1-314; 321-324; 331-334) som ingår i sagda till antalet minst en modul (3 10; 320; 330).

6. Anordning i enlighet med något av kraven 1-5, där sagda till antalet minst en diodanordning (3 l 5; 325; 335) är placerad utanför sagda moduls hölje.

7. Anordning i enlighet med något av kraven 1-5, där sagda till antalet minst en diodanordning (3 15; 325 ; 335) är placerad innanför sagda moduls hölje.

8. Tillfälligt energilager (300) som innehåller en pluralitet av serieanslutna superkondensatorer , kännetecknat av att sagda tillfälliga energilager innehåller en anordning i enlighet med något av kraven 1-7.

9. Fordon, kännetecknat av att sagda fordon innehåller: - ett tillfälligt energilager som innehåller en pluralitet av serieanslutna superkondensatorer (311-314; 321-324; 331-334), och - en anordning i enlighet med något av kraven 1-7.

10. Metod for balansering av ett tillfälligt energilager (300) som innehåller en pluralitet av serieanslutna superkondensatorer (31 l-314; 321-324; 331-334), kännetecknad av att minst en diodanordning (3 l 5; 325; 335), som enbart leder ström i en riktning och är ansluten parallellt med minst två superkondensatorer (312-313; 322-323; 332- 333) i sagda pluralitet av superkondensatorer (31 1-3 14; 321-324; 331-334), börjar leda ström om polariteten över sagda minst två superkondensatorer (312-313; 322-323; 332-333) blir omvänd jämfört med polariteten fór laddningsspänningen som används fór att ladda sagda tillfälliga energilager (300), så att den omvända polariteten motverkas, och att sagda pluralitet av superkondensatorer (31 1-314; 321-324; 331-334) är grupperade i minst en modul (3l0; 320; 330), och minst en av sagda till antalet minst en av diodanordningama (3 15; 325; 335) är lO 535 419 22 ansluten parallellt med en delmängd av superkondensatorema (31 1-314; 321-324; 331-334) som ingår i sagda till antalet minst en modul (3l0; 320; 330).

11. l 1. Metod i enlighet med krav 10, där sagda pluralitet av superkondensatorer (31 l-314; 321-324; 331-334) är grupperade i minst en modul (310; 320; 330), och minst en av sagda till antalet minst en av diodanordningama (315; 325; 335) är ansluten parallellt med samtliga superkondensatorer (31 1-314; 321-324; 331-334) som ingår i sagda till antalet minst en modul (310; 320; 330), så att den omvända spänningen motverkas i sagda modul (3 10; 320; 330) som helhet.

12. Metod i enlighet med något av kraven 10-11, där balanseringen utförs under urladdning av sagda tillfälliga energilager (300).