[发明专利]在双层电容器的单个单元之间平衡电荷的装置和方法

说明书

本发明涉及一种在双层电容器的单个单元之间平衡电荷的装置，尤其用在一个多电压汽车的车用电源中。

本发明还涉及运行该装置的方法。

事实证明双层电容器是提供或者存储短期高功率的最有意义的技术方案，譬如在借助于电动马达的加速支持(助推工作)的情况下或者在所谓的“温和”混合法再生刹车过程中动能的电转换的情况下。

然而一个双层电容器的最高电压都限制在2.5V至3.0V，从而为了提供例如60V(42V车用电源的典型值)的电压，要把大约20-25个单个单元串联成一个电容器堆垛。

由单个单元的不同的自放电导致随着时间流逝在所述双层电容器中电荷平衡受到破坏，这使得所述双层电容器最终无法使用。

在一个电容器中的单个单元的自放电的离散宽度可以非常地大。譬如在汽车的应用中，可以把此外推到数周到数月，从而存在的问题是显而易见的。

一个较简单的电荷平衡，譬如如同在铅-酸电池(起动电池)的情况下的微量的过充电，在双层电容器的情况下是不可能的。

一个公知的可能性在于借助于分开的电子电路监测每个单个单元的电压并且在达到或者超过一个单个单元的最大值时借助于一个可接通的并联电阻(旁路)引起一个部分放电。然后经所述旁路放电所述单元并且把其电压重新降低到所述最大值以下。

如果低于所述最大值一定的电压值，再断开所述旁路并且所述电容器不再进一步进行放电。

这样的电路在被动的情况下耗能很少，然而却通过放掉电荷(模块中电能损失)达到电荷平衡。在一个电容器堆垛主要地是在最高电压的附近工作的情况下采用该变例是有意义的，譬如在用应急供电设备供电的情况下。

然而这种设计却限于所述电容器模块的充电电流要低于放电电流，因为不然的话在对所述模块进行充电时就可能有的单个电容器的过充电。此外，所述平衡系统不能够从外部触发，而是只能够通过超过所述最高电压启动。在一辆汽车中工作的情况下，这种状态却刚好不经过较长的时间达到，这最终长期地导致所述电容器模块中的一种不对称。这可能已经通过一个试验汽车中的测量证实了。总之，该系统具有以下的缺点：

-对上层的运行引导没有一个电容器是否超过最高电压(Uc＞2.5V)的反馈消息；

-没有以下的反馈消息：是否这些电容电压相等并因而对该电容器模块进行平衡

-只有在超过所述最高电压时才启动所述平衡；

-电能在平衡过程中由电阻转换成热能。

另一个公知的可能性在于采用一种同样公知的逆程开关控制器，其中这时从整个电容器模块取出电能并且然后把所取出的电能回输到放电最多的单个电容器。这样的一个技术方案由EP 0432636 A2所公知。

在此，作为可供选择的替代方案，还可以利用另一个能源，譬如一个蓄电池，其中所述电路附加地起缓慢充电所述电容器模块的作用。对此参见专利申请DE 10256704。

此外，这种电荷平衡的形式可以与达到一个单个单元的所述最高电压无关地随时进行，从而根本不能够在所述双层电容器建立危险的电荷不平衡。

此外，在此只推移电荷，也就是不长时间从所述模块出出电能。这使得所述设计对汽车应用特别有吸引力，因为在长时间停车不用以后也须要在车用电源中有足够的电能可靠地保证成功的马达起动。

在以上说明的汽车功能“再生性刹车”的情况下也出现约1KA左右的电流，从而在此情况下排除了根据所述第一公知的可能性的电荷平衡。

然而该扩展的实施方式的缺点是：在该逆程变压器的次级线圈方需要有非常多的连接端。在由例如25个单个单元构成一个电容器堆垛的情况下，譬如在42V的车用电源的情况下，由此得出50个连接端。在技术实现时，这使得要求一种特殊的在市场上没有供应的线圈架。在所述电容器堆垛的单个单元数的任何改变都需要匹配所述变压器。

然而单个单元数的改变却是可以预期的，因为随着所述双层电容器的技术发展允许的最高电压逐代地提高，从而在给定的总电压情况下相应需要较少的单个单元。

从所述变压器向所述电容器引线是非常高耗费的，因为所述模块中的每个接点都需要分开的连接。在上例中只要在所述变压器上安排整流二极管就得出26个引线，其它的情况下是50个引线。

此外这些线路用所述逆程变换器开关过程发出的高频电压脉冲加载并且需要专门的EMV退耦措施。