Способ увеличения срока службы конденсаторов в последовательных блоках и устройство для его реализации

Изобретение относится к устройству (1) для отслеживания и/или балансирования ультраконденсатора (3) и/или блока (4), содержащего соединенные последовательно ультраконденсаторы (3). Техническим результатом является увеличение срока службы любого отдельного конденсатора до срока, который не короче срока службы других конденсаторов в блоке, имеющих более длительный срок службы. Упомянутый технический результат достигается тем, что предлагается электронная схема, которая позволяет осуществлять протоколы конца заряда с обеспечением возможности управления напряжением на выводах каждого из ультраконденсаторов и с учетом параметров конкретного ультраконденсатора, а не на основе увеличения и уменьшения нагрузки по напряжению ультраконденсаторов посредством преобразователя. Заявленное устройство содержит электронную схему (2), содержащую цифровые средства управления, например микроконтроллер (5), исполняющий программу, реализующую отслеживание и балансирование ультраконденсатора (3) и/или блока (4). Измеряют относительные емкости конденсаторов и полученные данные используют для определения момента времени, подходящего для управляемого разряда отдельных конденсаторов. Также используются данные о температуре для определения момента времени, подходящего для управляемого разряда отдельных конденсаторов. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Конденсаторы, в частности ультраконденсаторы и суперконденсаторы, в последние годы получили широкое распространение в различных областях применения, характеризующихся высокой мощностью, и в частности обеспечивают синергетический эффект при использовании с электрохимическими ячейками. Конденсаторы, которые используются в этих областях, как правило, последовательно соединены в блоки, причем каждый последовательный блок содержит некоторое фиксированное количество соединенных последовательно конденсаторов. В последовательном блоке конденсаторов, если один конденсатор отказывает раньше соседних, весь блок приходится удалять из рабочей схемы. Поэтому имеется потребность в согласовании тем или иным способом срока службы каждого конденсатора со сроком службы наиболее "долгоживущих" его соседей.

Аналогичным образом, в системе, содержащей несколько последовательных блоков конденсаторов, если один блок выходит из строя намного раньше соседних блоков, то скорее всего неисправный блок должен быть удален из рабочей схемы. Таким образом, имеется потребность в согласовании срока службы каждого блока со сроком службы наиболее" долгоживущих" его соседей.

Для устранения указанных недостатков было затрачено немало времени и сил, но больших успехов не было достигнуто. Так, с большими трудностями сопряжено измерение характеристик конденсаторов (например, точное измерение их емкости), а также их группирование, т.е. разделение указанных конденсаторов на группы, согласно измеренным характеристикам. После группирования каждый блок изготавливают с использованием конденсаторов из одной и той же группы. Хотя группирование может быть полезным, оно не приближает к решению проблемы по ряду причин, например, из-за того, что при последующей эксплуатации один конденсатор может стареть быстрее другого.

Также немало времени и сил было потрачено в попытках аналогичным образом улучшить электрохимические ячейки. На первый взгляд, любой способ, позволяющий улучшить работу электрохимических ячеек, должен работать и с конденсаторами, и наоборот. Однако между конденсаторами и электрохимическими ячейками имеются большие различия, которые не позволяют провести такие аналогии. Например, методики расчета срока службы электрохимических и электростатических ячеек различаются. Кроме того, зависимость между накопленным зарядом и напряжением, в целом почти линейная для конденсаторов, является сугубо нелинейной для электрохимических ячеек.

В качестве предыстории могут быть приведены следующие ссылки на патенты и опубликованные патентные заявки: US 5479083 (Brainard), US 5952815 (Rouillard), US 5764037 (Jacobs), US 5713426 (Okamura), US 6087799 (Turner), US 3602795 (Gunn), US 5726552A (Okamura), US 5063340A (Kalenowsky), EP 1081824 (Rufer), US 2008/197806 (Ridder), US 2008/0272735 A1 (Roessler), WO 2007/145460 A1 (Oh), WO 2007/145463 A1 (Oh), WO 2007/145464 A1 (Oh), US 2004/251934 (Yano), US 2006/221516 (Daboussi), US 2007/001651 (Harvey), DE 102008056962 A1 (Herke) и EP 1035627 A1 (Ohta).

Опыт показывает, что старение ультраконденсатора, характеризующееся уменьшением его емкости и увеличением его внутреннего сопротивления, ускоряется из-за напряжения, приложенного к его выводам, а также из-за роста температуры при зарядке и окружающей температуры в блоке. Иными словами, разработаны методики расчета срока службы ячейки, которые зависят по меньшей мере частично от данных о приложенных напряжениях и температурах ячейки.

Для специалиста очевидно, что можно с успехом отслеживать, насколько возможно, температуру и напряжение и управлять, насколько возможно, нагрузкой по напряжению, приложенной к каждому из ультраконденсаторов. В сборке блоков, соединенных последовательно или параллельно, указанные факторы могут отличаться, с одной стороны, между различными блоками, образующими указанную сборку, а с другой стороны, между различными ультраконденсаторами, из которых состоит блок. Таким образом, имеется потребность в унификации факторов, действующих в блоке и между блоками, для предотвращения преждевременного старения ультраконденсатора, которое может стать причиной преждевременного старения блока, которое, в свою очередь, вызывает преждевременное старение сборки. Известные способы решения указанной проблемы, в особенности основанные на управлении напряжением на выводах ультраконденсатора при его заряде, включают:

- пассивное балансирование;

- отсечение напряжения на уровне предварительно заданного значения напряжения, близкого к максимальному напряжению данного ультраконденсатора; и

- балансирование напряжения или заряда ультраконденсатора относительно соседних ультраконденсаторов.

В последних двух способах обычно используются аналоговые электронные схемы. Один из недостатков любой аналоговой электронной схемы, связанной с ультраконденсаторами, состоит в том, что она обычно не способна выполнять самодиагностику. Чем сложнее система, тем большее количество компонентов в ней используется, что для аналоговой электроники подразумевает сокращение среднего времени между неисправностями.

Следует отметить, что у конденсатора зависимость между накопленным зарядом Q и напряжением V (в пределах некоторого динамического диапазона) является почти линейной и с учетом коэффициента С может быть выражена уравнением: Q=CV. Указанное уравнение может быть использовано для моделирования варианта, в котором несколько ультраконденсаторов соединены последовательно и образуют блок. Из закона Кирхгофа известно, что в режиме простого заряда через каждый конденсатор в последовательной цепи проходит один и тот же ток, и таким образом каждый конденсатор получает в последовательной цепи один и тот же заряд (являющийся интегралом тока по времени). Если каждый конденсатор имеет емкость С, одинаковую с емкостями соседних конденсаторов, то в любой данный момент времени можно ожидать, что и напряжение, накопленное каждым из конденсаторов, примерно одно и то же.

Теперь может быть условно предположено, что емкость одного из ультраконденсаторов в блоке стала меньше средней емкости других ультраконденсаторов в блоке. Если затем через указанный блок пропустить по меньшей мере один цикл зарядного тока и разрядного тока, то напряжение на ячейке с пониженной емкостью будет иметь тенденцию к повышению при заряде и понижению при разряде.

Как указано выше, известны попытки создания балансирующего устройства для такого набора последовательных конденсаторов. Балансирующее устройство может действовать в соответствии с простым алгоритмом, например разряжать (до некоторой степени) любой конденсатор, который в данный момент времени имеет более высокое напряжение, чем среднее по блоку. Практический результат состоит в том, что отдельный конденсатор, который имеет емкость ниже средней, разряжают, когда он имеет повышенное напряжение. Аналогично, отдельный конденсатор, который имеет емкость выше средней, разряжают, когда он имеет пониженное напряжение. Это приводит к бесполезному рассеянию энергии.

Другой способ состоит в простом управлении (и ограничении) напряжения, приложенного к блоку электрической схемой, которая заряжает указанный блок.

Несколько иной способ состоит просто в том, чтобы контролировать (и огранивать) величину заряда, приложенного к блоку электрической схемой, которая заряжает указанный блок. Согласно указанным двум способам воздействуют на все ультраконденсаторы блока, при этом не учитывается неидентичность характеристик ячеек в блоке.

Примерный вариант реализации системы согласно настоящему изобретению содержит электронную схему, содержащую цифровые управляющие средства, такие как микроконтроллер, исполняющий программу, обеспечивающую отслеживание и/или балансирование ультраконденсаторов в блоке или блоков в системе или того и другого вместе. Электронная схема, действующая, как описано ниже, позволяет осуществлять протоколы конца заряда с обеспечением возможности управления напряжением на выводах каждого из ультраконденсаторов и с учетом параметров конкретного ультраконденсатора, а не на основе увеличения и уменьшения нагрузки по напряжению ультраконденсаторов посредством преобразователя. Кроме того, микроконтроллер обеспечивает аналоговую регистрацию, управление активным балансированием ультраконденсаторов, связь с другими блоками, соединенными последовательно или параллельно, регистрацию отказов или даже сохранение оперативных данных для формирования статистики.

Согласно одному варианту реализации электронная схема содержит средства аналогового форматирования сигналов, выходящих по меньшей мере из одной группы ультраконденсаторов в блоке. Такой подход обеспечивает приспосабливание сигналов, полученных от ультраконденсаторов, к различным компонентам электронной схемы таким образом, чтобы они могли быть использованы. Предпочтительно группы ультраконденсаторов сформированы так, что ультраконденсаторы из одной группы чередуются с ультраконденсаторами из других групп.

Один способ балансирования состоит в использовании пассивных балансирующих средств. Пассивные балансирующие средства блока могут содержать резистор, соединенный параллельно с каждым из ультраконденсаторов блока. Такой подход позволяет непрерывно уменьшать с использованием указанного балансирующего средства наибольшие дисбалансы напряжения на выводах ультраконденсаторов при самых высоких напряжениях и обеспечивать питанием балансирующее средство при очень низких напряжениях, при которых обычная электронная схема не может функционировать.

Другой способ балансирования состоит в использовании активных балансирующих средств. Активные балансирующие средства переходят в режим уменьшения напряжения на выводах каждого конденсатора, если указанное напряжение является слишком большим. Согласно одному варианту реализации диссипативное устройство, например резистор, соединено последовательно с активным переключателем, например транзистором, причем оба соединены параллельно с каждым из ультраконденсаторов в блоке. Открытием и закрытием каждого транзистора может управлять микроконтроллер. Транзистор может быть мощным транзистором, например биполярным транзистором типа NPN. Балансирующая электронная схема может содержать внутренний источник питания, снабжающий энергией электронную схему и извлекающий энергию из ультраконденсаторов блока.

Если каждый блок имеет свою собственную балансирующую электронную схему, то при использовании нескольких блоков каждая балансирующая электронная схема имеет коммуникационный интерфейс предпочтительно с гальванической изоляцией, например оптроном, обеспечивающий связь с другой балансирующей электронной схемой, которая обеспечивает отслеживание и балансирование других блоков. Как описано ниже, каждая балансирующая электронная схема предпочтительно содержит энергонезависимое запоминающее устройство, в котором сохраняются результаты отслеживания в течение срока службы ультраконденсаторов и блока.

В данном блоке при его заряде микроконтроллер балансирующей электронной схемы управляет разрядом ультраконденсаторов, имеющих уменьшенную емкость, напряжение на которых больше среднего напряжения блока, вычисленного для высокого напряжения.

Чтобы узнать, какие конденсаторы имеют уменьшенную емкость, может быть использован любой из способов. Согласно одному способу измеряют напряжение на конденсаторе, если амплитуда напряжения на его выводах больше порогового напряжения, лежащего в диапазоне 0,5-1 В. Указанный способ позволяет обнаружить дефектный блок, содержащий ультраконденсатор, который не заряжается должным образом.

Согласно одному варианту реализации рядом с каждым конденсатором расположен терморезистор, соединенный с управляющей электронной схемой. Согласно второму варианту реализации каждый блок содержит терморезистор, расположенный рядом с ним, соединенный с соответствующей управляющей электронной схемой.

Ниже настоящее изобретение описано со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг. 1 показана общая схема различных частей отслеживающего и балансирующего устройства согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2 подробно показана часть устройства, представленного на фиг. 1, предназначенная для аналогового согласования сигналов, выходящих от ультраконденсаторов.

На фиг. 3 подробно показана часть устройства, представленного на фиг. 1, предназначенная для активного балансирования.

На фиг. 4 показан график одного алгоритма, согласно которому микроконтроллер может управлять зарядом и разрядом ультраконденсатора.

На фиг. 5 показан график второго алгоритма, согласно которому микроконтроллер может управлять зарядом и разрядом ультраконденсатора.

Одинаковые позиционные номера на чертежах обозначают одни и те же элементы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как показано на фиг. 1, устройство 1 для отслеживания и балансирования блока 4, содержащего последовательно соединенные ультраконденсаторы 3, содержит электронную схему 2 (на чертеже показана пунктирными линиями).

Электронная схема 2 содержит микроконтроллер 5, оснащенный внутренним источником 6 питания, который обеспечивает питание, необходимое для работы различных компонентов электронной схемы 2, и отбирает энергию непосредственно от ультраконденсаторов 3, расположенных в блоке 4.

Энергопотребление источника 6 является очень малым и почти не разряжает ультраконденсаторы 3. Электронная схема 2 может получать энергию от внешнего источника питания (для ясности не показан на фиг. 1), но в случае отсутствия указанного внешнего питания электронная схема 2 по существу функционирует только если ультраконденсаторы 3 заряжены по меньшей мере сверх небольшого порогового уровня.

Электронная схема дополнительно содержит запоминающее устройство 9, соединенное с микроконтроллером 5. Терморезистор 7, соединенный с электронной схемой 2, расположен рядом с блоком 4 и регистрирует его температуру. Сигнал, выходящий из терморезистора 7, форматируется и поступает на вход AN2 (вход для аналогового сигнала) микроконтроллера 5.

Электронная схема 2 содержит следующие части, выполняющие различные функции:

первую часть 10, выполняющую мультиплексирование и аналоговое форматирование сигналов, выходящих от каждого из ультраконденсаторов 3, расположенных в блоке 4;

вторую часть 20, выполняющую пассивное балансирование ультраконденсаторов 3; и

третью часть 30, выполняющую активное балансирование указанных ультраконденсаторов.

Схема первой части 10 показана на фиг. 2. Ее назначение состоит в форматировании сигналов, выходящих из каждого ультраконденсатора 3, для измерения напряжения на его выводах, как описано ниже.

Для простоты описания может быть использовано четное число конденсаторов 3, и в последовательной цепи указанные конденсаторы могут быть обозначены как "нечетные" и "четные".

Начиная с первой группы 11 ультраконденсаторов 3, сформированной всеми четными ультраконденсаторами 3 блока 4, выход транзистора QP1 через последовательный резистор RP1 первого ультраконденсатора 3 первой группы 11 направлен в измерительную линию 101, обозначенную как "четная", как и вся сборка транзисторов QP_2K и резисторов RP_2K, относящихся к ультраконденсаторам 3 первой группы 11.

Точно так же, начиная со второй группы 12 ультраконденсаторов 3, сформированной всеми нечетными ультраконденсаторами 3 блока 4, выход транзистора QI1 через последовательный резистор RI1 первого ультраконденсатора 3 второй группы 12 направлен в измерительную линию 102, обозначенную как "нечетная", как и все транзисторы QI_2K+1 и резисторы RI_2K+1, относящиеся к ультраконденсаторам 3 второй группы 12.

Для передачи в "четную" и "нечетную" измерительные линии 101 и 102 значений напряжения на выводах ультраконденсаторов 3, соответственно четные и нечетные транзисторы QP2 и QI2 установлены, с одной стороны, с возможностью дифференциального измерения напряжения между ними и землей, а с другой стороны, соответственно соединены с транзисторами QP1 и QI1.

Базы транзисторов QP2 и QI2 соединены с микроконтроллером 5, который таким образом управляет измерением напряжения на выводах каждого из ультраконденсаторов 3.

Каждое из напряжений, полученное из "четной" и "нечетной" измерительных линий, буферизуется соответствующими операционными усилителями А1 и А2, используемыми в качестве инвертирующих усилителей с коэффициентами усиления, соответственно пропорциональными отношениям R1/RP1 и R2/RI1.

Выход операционного усилителя 1 соединен с входом S1 первого аналогового мультиплексора М1 и с входом S2 второго аналогового мультиплексора М2. Точно так же выход операционного усилителя А2 соединен с входом S2 первого аналогового мультиплексора М1 и с входом S1 второго аналогового мультиплексора М2. Каждый из мультиплексоров М1, М2 имеет вход С, соединенный с входом С другого мультиплексора М1, М2. Указанные два входа С соединены с выходом микроконтроллера 5, который обеспечивает инверсию полярности выходных напряжений усилителей А1 и А2, которая может быть выбрана посредством логического выходного сигнала I/O.

Таким образом, при логическом сигнале на входах С указанных двух аналоговых мультиплексоров М1 и М2, равном нулю, выходной сигнал D аналогового мультиплексора М1 равен выходному сигналу А1, в то время как выходной сигнал D аналогового мультиплексора М2 равен выходному сигналу А2. И наоборот, при логическом сигнале на входах С указанных двух аналоговых мультиплексоров М1 и М2, равном 1, выходной сигнал D аналогового мультиплексора М1 равен выходному сигналу А2, в то время как выходной сигнал D аналогового мультиплексора М2 равен выходному сигналу А1.

Затем указанные два выходных сигнала D указанных двух аналоговых мультиплексоров М1 и М2 сравнивают посредством операционного усилителя A3, выполненного в форме вычитающего усилителя. Выходное напряжение указанного вычитающего усилителя является пропорциональным разности сигнала, выходящего из аналогового мультиплексора М1, и сигнала, выходящего из аналогового мультиплексора М2.

Это выходное напряжение представляет собой разность напряжений между "четными" ультраконденсаторами 3 и "нечетными" ультраконденсаторами 3 на выводах ультраконденсаторов 3 в момент времени t. Это напряжение передают в аналого-цифровой преобразователь, который посылает цифровой сигнал назад на вход 1 микроконтроллера 5.

Значения указанных цифровых сигналов могут быть сохранены в запоминающем устройстве 9 для последующего использования, в частности для формирования статистических данных о колебании напряжения заряда двух групп ультраконденсаторов 3.

Измеренные напряжения ультраконденсаторов могут достигать уровней, граничащих с сотыми долями вольта, в то время как компоненты А1, А2, A3, М1 и М2 обычно питаются напряжениями между ±5 В и ±15 В.

Таким образом, коэффициенты ослабления R1/RP1 и R2/RI1 выбираются с тем, чтобы оставаться в указанной рабочей области. Коэффициенты усиления R5/R3 и R6/R4 восстанавливают масштаб измерения ультраконденсаторов 3 на выходе операционного усилителя A3.

Вторая часть 20 состоит из резистора RPK, соединенного параллельно с каждым ультраконденсатором 3. Указанный резистор выбран с очень высоким сопротивлением, так что ультраконденсатор 3 разряжается через резистор RPK очень медленно. Таким образом, даже если конденсаторы 3 разряжены, т.е. не имеют достаточно высокого напряжения для питания электронных узлов 10, 30, тем не менее некоторое балансирование может быть выполнено.

Третья часть 30.

Схема третьей части показана на фиг. 3. Эта часть осуществляет активное балансирование ультраконденсаторов 3 SC_k путем разряда ультраконденсаторов 3 через резистор R_K1.

Согласно одному варианту реализации резистор R_K1 имеет сопротивление 5 Ом и подключается параллельно ультраконденсатору 3 посредством мощного транзистора Q_K1 типа NPN, использованного в качестве переключателя.

Ток базы для управления транзистором Q_K1 берется непосредственно от ультраконденсатора 3 и формируется посредством другого транзистора Q_K2, который, в свою очередь, управляется третьим транзистором Q_K3, управляемым цифровым выходным сигналом V_CK, который вырабатывается микроконтроллером 5.

Команда микроконтроллера 5 преобразуется в ток I_CK, который регулируется транзистором Q_K3 и резистором R_K5. Указанный ток I_CK имеет небольшое значение и, таким образом, не создает помехи ультраконденсаторам 3, которые не предназначены для разряда в результате активного балансирования.

Следовательно, каждый ультраконденсатор 3 может быть выборочно разряжен путем шунтирования резистором R_K1 в результате передачи логического сигнала VC_K из микроконтроллера 5.

Таким образом, ультраконденсатор 3, напряжение которого больше напряжения других ультраконденсаторов 3 в том же блоке, может быть разряжен при осуществлении внутриблочного балансирования.

Обычно вместо одного блока используются несколько блоков, связанных последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединениями. Микроконтроллер 5 блока 4 связан с другим блоком, соединенным последовательно или параллельно с блоком 4, посредством оптрона 8, который обеспечивает гальваническую изоляцию между блоками.

Таким образом, микроконтроллер 5 учитывает напряжение на выводах расположенного рядом блока, который с ним связан, для балансирования напряжения на выводах блока 4 по сравнению с напряжением расположенного рядом блока.

Пониженное напряжение заряда, измеренное на выводах другого блока, таким образом вызывает снижение напряжения заряда на выводах блока 4 в результате команды микроконтроллера 5, расположенного в электронной схеме 2 в блоке 4. Таким образом, напряжение последовательной цепи ультраконденсаторов 3 блока 4 может быть снижено для достижения межблочного баланса.

Такой подход позволяет балансировать ультраконденсаторы 3, расположенные в блоке 4, по отношению друг к другу, а также позволяет балансировать блоки по отношению друг к другу.

Обычно блоки содержат примерно от 6 до 32 соединенных последовательно ультраконденсаторов 3.

Измерение относительных емкостей.

Устройство 1, как описано выше, отслеживает конденсаторы, которые имеют уменьшенную емкость и которые имеют увеличенную емкость, и разряжает только те конденсаторы, которые имеют уменьшенную емкость, только при условии, что указанные конденсаторы имеют высокое или близкое к высокому напряжение. Указанная операция выполняется независимо от момента цикла заряда/разряда блока. При этом рассеянная энергия не превышает величину, необходимую для балансирования.

Для специалиста очевидно, однако, что для балансирования такого типа необходимо знать относительную емкость каждого ультраконденсатора 3 в блоке 4 по сравнению с соседними конденсаторами в данной последовательной цепи ячеек.

Далее описаны два различных алгоритма, каждый из которых, как предполагается, может быть использован для определения относительных емкостей.

Первый алгоритм для оценки указанной относительной емкости каждой из ячеек основан на анализе напряжений на выводах каждого ультраконденсатора 3 в различные моменты времени.

На фиг. 4 показано напряжение, измеренное на выводах блока 4 (на графике обозначенное как V_БЛОКА вдоль вертикальной оси) за время цикла заряда и разряда (иногда называемого рабочим циклом), при этом течение времени отображено вдоль горизонтальной оси.

Измерение напряжения в блоке 4 выполняется с частотой в диапазоне от 10 Гц до 100 Гц, т.е. осуществление выборки происходит от десяти раз в секунду до ста раз в секунду.

При указанной частоте выборки вычисляются ΔVi и наклон ΔVi/Δti. В моменты времени, когда данное отношение является положительным, это означает, что блок 4 заряжается, а в моменты времени, когда указанное отношение является отрицательным, это означает, что блок 4 разряжается.

Цикл заряда или разряда подходит для измерения емкости, если и только если:

ΔVi/Δti<RI, причем RI непрерывно вычисляется из общей емкости блока 4, соответствующей текущему уровню, который является достаточно низким для получения надежного результата измерения, и

амплитуда напряжения цикла превышает порог, находящийся между 0,5 В и 1 В для одного ультраконденсатора 3.

При указанных условиях относительная емкость каждого из ультраконденсаторов 3 в отдельном блоке 4 вычисляется по формуле

$$C_{s{c}_k}=\frac{{\left|\raisebox{1ex}{$\Delta V_i$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\Delta t_i$}\right.\right|}_k}{{\left|\raisebox{1ex}{$\Delta V_i$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\Delta t_i$}\right.\right|}_{\mathrm{mod}ule}}$$

Согласно другому варианту реализации изобретения оценку соответствующей относительной емкости каждого конденсатора осуществляют путем измерения напряжений на каждом из конденсаторов. Первый конденсатор, расположенный в последовательном блоке, идентифицируют как имеющий предполагаемую относительную емкость, которая меньше предполагаемой относительной емкости второго конденсатора в последовательном блоке. Первый конденсатор заряжают до соответствующего уровня заряда, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора. Предполагается, что благодаря этому срок службы конденсатора с меньшей емкостью может быть увеличен. Как и в других примерах, в данном примере конденсаторы могут быть ультраконденсаторами.

Один из способов приведения заряда первого конденсатора к соответствующему уровню, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора, состоит в соединении на некоторое время резистора с первым конденсатором, в результате чего заряд первого конденсатора уменьшается.

Далее описано, каким образом может быть достигнута оценка соответствующей относительной емкости каждого конденсатора. В примере последовательности этапов это может быть осуществлено путем измерения напряжений на каждом из конденсаторов и в частности путем выполнения ряда измерений относительных емкостей и усреднения измеренных указанных относительных емкостей.

Относительное измерение емкости может быть осуществлено путем выполнения этапов, на которых:

измеряют в первый момент времени, когда ток, проходящий через блок, имеет значение, которое меньше первого заданного порога, соответствующее напряжение на каждом из конденсаторов, и таким образом определяют сумму напряжений, отображающую напряжение на всем последовательном блоке,

измеряют снова во второй момент времени, после того, как ток, проходящий через блок, превысит первый заданный порог и после этого снизится до значения, которое меньше первого заданного порога, соответствующее напряжение на каждом из конденсаторов, и таким образом снова определяют сумму напряжений, отображающую напряжение на всем последовательном блоке,

определяют для каждого конденсатора разность между соответствующим напряжением, измеренным в первый момент времени, и соответствующим напряжением, измеренным во второй момент времени, которая представляет собой соответствующее изменение напряжения,

определяют для последовательного набора конденсаторов разность между напряжением на всем последовательном блоке, измеренным в первый момент времени, и напряжением на всем последовательном блоке, измеренным во второй момент времени, которая представляет собой соответствующее изменение напряжения для последовательного блока, и

определяют для каждого конденсатора отношение его соответствующего изменения напряжения к изменению напряжения на последовательном блоке в качестве его относительной емкости.

Предпочтительно во время измерения напряжений избегать выполнения действий, вызывающих приведение заряда первого конденсатора к соответствующему уровню, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора. Иными словами, целесообразно избегать выполнения измерений напряжения во время выполнения этапа, на котором приводят заряд первого конденсатора к соответствующему уровню заряда, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора. Словом, лучше не выполнять измерения во время балансирования или не выполнять балансирование во время измерений.

Далее описано, почему измерения напряжений выполняются в период времени, когда ток через последовательный набор конденсаторов является относительно небольшим. Дело в том, что каждый из конденсаторов имеет внутреннее сопротивление. Если измерения напряжений выполнять при большом токе, падение напряжения на указанном внутреннем сопротивлении исказит результаты измерения. Таким образом, выполнение измерений напряжения в период времени, когда токи являются относительно небольшими.

По рассмотрении этого алгоритма следует отметить, что один из способов выполнения измерений напряжения состоит в использовании мультиплексора (его роль исполняет часть электрической схемы в рамке 10, показанная на фиг. 1) для выборочного поочередного соединения каждого из конденсаторов с аналоговой электрической схемой, такой как показанная на фиг. 2, которая, в свою очередь, ведет к аналого-цифровому входу 1, показанному на фиг. 1.

На фиг. 5 этот алгоритм проиллюстрирован подробно.

Верхняя вертикальная ось обозначает напряжение на всем блоке (т.е. напряжение на всей последовательной цепи конденсаторов).

Нижняя вертикальная ось обозначает ток через блок при заряде или разряде.

Горизонтальная ось показывает ход времени, интервал заряда и последующий интервал разряда.

Следует отметить, что поскольку накопление заряда происходит в конденсаторах, напряжение на которых в значительном диапазоне линейно зависит от накопленного заряда, нижняя кривая, отображающая ток, в первый момент времени приблизительно представляет собой первую производную от верхней кривой, отображающей напряжение. Иными словами, верхняя кривая (напряжение) приблизительно является интегралом или "площадью под кривой", т.е. под нижней кривой (тока).

На нижней вертикальной оси указан заданный порог для токов, которые являются относительно небольшими, т.е. немного больше или меньше нулевого тока. Этот интервал относится к только что описанной ситуации, а именно в которой необходимо выполнить считывание напряжения в момент времени, когда падения напряжения на внутреннем сопротивлении конденсаторов являются относительно небольшими.

Охваченная окружностью область в верхней части кривой (увеличенная для наглядности) показывает измерение приращения напряжения ΔV, выполненное в момент времени, когда ток, протекающий через блок, является относительно небольшим (как показано на нижней кривой). Это приращение значения напряжения ΔV (за период времени Δt) измеряют для отдельной ячейки в последовательном наборе ячеек. Необходимо как можно скорее перед этим или после этого (или то и другое вместе) измерить подобные приращения ΔV для других ячеек в последовательном наборе ячеек. Указанные значения ΔV суммируют для получения полного напряжения на всем последовательном наборе.

В примере устройства каждое измерение напряжения в ячейке выполняют в течение 150 мкс. При типичной последовательной цепи ячеек, состоящей, например, из 18 ячеек, это означает, что указанные 18 измерений могут быть выполнены примерно за 3 мс.

Ниже измерение относительных емкостей описано более подробно. Понятно, что по существу указанное вычисление основано на сравнении изменения напряжения на выводах блока с напряжением ячейки.

Для ячейки n в блоке, содержащем, например 17 ячеек, относительная емкость C_n (выраженная в форме процента от средней емкости всех ячеек) составляет

где V_блока - напряжение на выводах блока, V_n - напряжение на ячейке n.

Для получения действительного измеренного напряжения необходимо применить следующие критерии:

Первый критерий состоит в том, что каждая ячейка должна изменять свое напряжение по меньшей мере на половину вольта. Для 17 ячеек в блоке это означает, что ΔV указанного блока превышает 8,5 вольт. Второй критерий состоит в том, что при осуществлении выборки напряжения ток (его абсолютное значение) через блок не должен превышать 7 ампер.

При емкости каждого конденсатора, составляющей 176 фарад, и временном интервале Δt, составляющем 1 секунду, измеренное значение тока составляет <7 А, это означает что ΔV_блока<40 мВ.

Следует отметить, что одним из параметров для вычисления относительной емкости может являться полное напряжение на всей последовательности. При этом возникает вопрос о необходимости включения в устройство некоторых средств для измерения полного напряжения на всей последовательности. Несмотря на то что устройство для измерения напряжения на всей последовательности может быть выполнено в форме отдельного узла, проще просто сложить напряжения, измеренные на отдельных ячейках, для получения напряжения на всей последовательности.

Указанный алгоритм описан с учетом относительной емкости каждого из конденсаторов в последовательности. Этого (простой относительной емкости) более чем достаточно для того, чтобы сделать выбор, какие конденсаторы следует "опоражнивать", чтобы снизить риск повышения заряда до чрезмерно высокого напряжения. С учетом вышесказанного, в некотором устройстве точное измерение тока также может быть осуществлено путем измерения тока, проходящего через последовательность. В данном случае может быть использована кулонометрия. Она вместе с точными измерениями напряжения может обеспечить измерение или по меньшей мере оценку фактической (или "абсолютной") емкости различных конденсаторов в последовательности. В таком случае абсолютные значения емкости аналогичным образом могут быть использованы при выборе конденсаторов, которые следует "опоражнивать" для снижения риска повышения их заряженности до слишком высокого напряжения. Нетрудно понять, что если это будет сделано, то относительные значения двух абсолютных емкостей могут рассматриваться в качестве относительных емкостей, и описанные выше процедуры могут быть выполнены с соответствующими поправками, в результате чего могут быть достигнуты те же преимущества, состоящие в увеличении срока службы отдельных конденсаторов.

Другой способ увеличения срока службы блока может быть возможен при использовании надежного датчика тока, установленного в блоке. Этот способ основан на методике расчета срока службы, согласно которой предполагается, что большой ток, протекающий через блок, может уменьшить срок его службы. Исходя из этой методики принимают меры по снижению или ограничению напряжения на блоке (последовательной цепи конденсаторов) в любой возможный момент времени при обнаружении больших токов (т.е. превышающих некоторый порог).

Больше сложный вариант применения указанного подхода состоит в задании пространства токов и напряжений и в снижении или ограничении напряжения на блоке при возникновении любой из конкретных комбинаций тока и напряжения из указанного пространства.

Измерения температуры и увеличение срока службы ячеек.

Согласно еще одному варианту реализации изобретения измеряют температуру каждого конденсатора в последовательном блоке. Первый конденсатор в последовательном блоке идентифицируют как имеющий температуру, которая выше температуры второго конденсатора в последовательном блоке. Первый конденсатор заряжают до соответствующего напряжения, которое ниже соответствующего напряжения второго конденсатора. Как указано выше, согласно одному способу для этого соединяют на некоторое время резистор с первым конденсатором и таким образом уменьшают напряжение на первом конденсаторе. Как и в других примерах, в данном случае конденсаторы могут быть ультраконденсаторами. Считается, что срок службы более теплого конденсатора таким образом может быть увеличен.

Вышеописанный вариант применяют к нескольким последовательным блокам конденсаторов, причем каждый блок имеет соответствующую температуру. Измеряют температуру каждого блока. Первый блок идентифицируют как имеющий температуру, которая выше температуры второго блока. Первый блок заряжают до соответствующего напряжения, которое ниже соответствующего напряжения второго блока. Это может быть достигнуто соединением резистора с первым блоком на некоторый период времени, и таким образом может быть уменьшено напряжение на первом блоке. Это также может быть достигнуто применением к первому блоку зарядного тока, который меньше зарядного тока второго блока, или применением к первому блоку зарядного тока в течение более короткого периода времени по сравнению с вторым блоком. Как и в других примерах, в данном случае конденсаторы могут быть ультраконденсаторами. Считается, что срок службы более теплого блока таким образом может быть увеличен.

Специалист по прочтении настоящего описания без труда сможет внести в настоящее изобретение различные усовершенствования и изменения, которые входят в объем защиты настоящего изобретения, ограниченный пунктами приложенной формулы.

1. Устройство для отслеживания и балансирования конденсаторов, содержащее:
блок, содержащий соединенные последовательно конденсаторы, причем один из конденсаторов задан как k-й конденсатор;
средства измерения напряжения на конденсаторах с частотой в диапазоне 10-100 Гц, причем амплитуда напряжения изменяется в конденсаторе при превышении заданного порога; и
средства оценки значения ΔV_i для k-го конденсатора в указанном блоке и значения ΔV_i для всего блока, причем указанная оценка осуществляется в течение временного интервала Δt_i, на протяжении которого измеряют напряжение; а
отношение значения ΔV_i для k-го конденсатора в блоке к значению ΔV_i для всего блока, задает измеренную относительную емкость k-го конденсатора.

2. Устройство по п. 1, в котором заданный порог является значением в диапазоне 0,5-1 В.

3. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:
средства выборочного разряда отдельных конденсаторов в блоке в зависимости от соответствующей измеренной относительной емкости каждого из конденсаторов.

4. Устройство по п. 1, в котором конденсаторы являются ультраконденсаторами.

5. Способ отслеживания и балансирования конденсаторов для использования с устройством, содержащим блок соединенных последовательно конденсаторов, один из которых задан как k-й конденсатор, содержащий этапы, на которых:
выполняют измерение напряжений на конденсаторах с частотой в диапазоне 10-100 Гц, причем амплитуда напряжения изменяется в конденсаторе при превышении заданного порога,
оценивают значение ΔV_i для k-го конденсатора в указанном блоке и значение ΔV_i для всего блока, причем указанную оценку осуществляют в течение временного интервала Δt_i, на протяжении которого измеряют напряжение, и
вычисляют отношение значения ΔV_i для k-го конденсатора в блоке к значению ΔV_i для всего блока и таким образом задают измеренную относительную емкость k-го конденсатора.

6. Способ по п. 5, согласно которому заданный порог является значением в диапазоне 0,5-1 В.

7. Способ по п. 5, дополнительно содержащий этапы, на которых:
выборочно разряжают отдельные конденсаторы в блоке в зависимости от соответствующей измеренной относительной емкости каждого из конденсаторов.

8. Способ по п. 5, согласно которому конденсаторы являются ультраконденсаторами.

9. Способ отслеживания и балансирования конденсаторов для использования в последовательном блоке конденсаторов, причем каждый конденсатор имеет соответствующую относительную емкость, каждый конденсатор в данный момент времени имеет соответствующий заряд и каждый конденсатор в данный момент времени имеет соответствующее напряжение, содержащий этапы, на которых:
оценивают соответствующую относительную емкость каждого конденсатора путем измерения напряжения на каждом из конденсаторов,
идентифицируют первый конденсатор в последовательном блоке как имеющий предполагаемую относительную емкость, которая меньше предполагаемой относительной емкости второго конденсатора в последовательном блоке, и
заряжают первый конденсатор до соответствующего уровня заряда, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора.

10. Способ по п. 9, согласно которому на этапе заряда первого конденсатора до соответствующего уровня заряда, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора, на некоторое время соединяют резистор с первым конденсатором и таким образом уменьшают заряд первого конденсатора.

11. Способ по п. 9, согласно которому конденсаторы являются ультраконденсаторами.

12. Способ по п. 9, согласно которому через блок в данный момент времени протекает соответствующий ток, который в различные моменты времени имеет положительное, отрицательное и нулевое значения, а на этапе оценивания соответствующей относительной емкости каждого конденсатора путем измерения напряжения на каждом из конденсаторов выполняют многократные измерения относительной емкости и усредняют измеренные относительные емкости, причем каждое измерение относительной емкости содержит этапы, на которых:
измеряют в первый момент времени, когда ток, протекающий через блок, имеет значение, которое меньше первого заданного порога, соответствующее напряжение на каждом из конденсаторов, и таким образом определяют сумму напряжений, отображающую напряжение на всем последовательном блоке, и
снова измеряют во второй момент времени, после того, как ток, протекающий через указанный блок, превысит первый заданный порог и затем снизится до значения, которое меньше первого заданного порога, соответствующее напряжение на каждом из конденсаторов, и таким образом снова определяют сумму напряжений, отображающую напряжение на всем последовательном блоке, причем
для каждого конденсатора разность между соответствующим напряжением, измеренным в первый момент времени, и соответствующим напряжением, измеренным во второй момент времени, берут в качестве соответствующего изменения напряжения,
для последовательного набора разность между напряжением на последовательном блоке, измеренным в первый момент времени, и напряжением на последовательном блоке, измеренным во второй момент времени, берут в качестве соответствующего изменения напряжения на последовательном блоке, и
для каждого конденсатора отношение его соответствующего изменения напряжения к изменению напряжения на последовательном блоке берут в качестве измеренной относительной емкости каждого конденсатора.

13. Способ по п. 9, согласно которому этап заряда первого конденсатора до соответствующего уровня заряда, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора, не выполняют ни в один из моментов времени, в которые выполняют измерение напряжения.

14. Способ по п. 9, согласно которому измерения напряжения выполняют только в моменты времени, в которые не выполняют этап заряда первого конденсатора до соответствующего уровня заряда, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора.

15. Устройство для отслеживания и балансирования конденсаторов для использования с последовательным блоком конденсаторов, в котором каждый конденсатор имеет соответствующую относительную емкость, каждый конденсатор в данный момент времени имеет соответствующий заряд, и каждый конденсатор в данный момент времени имеет соответствующее напряжение, содержащее:
средства оценивания соответствующей относительной емкости каждого конденсатора путем измерения напряжений на каждом из конденсаторов;
средства идентификации первого конденсатора в последовательном блоке как имеющего предполагаемую относительную емкость, которая меньше предполагаемой относительной емкости второго конденсатора в последовательном блоке; и
средства заряда первого конденсатора до соответствующего уровня заряда, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора.

16. Устройство по п. 15, в котором средства заряда первого конденсатора до соответствующего уровня заряда, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора, содержат резистор, выполненный с возможностью выборочного соединения с первым конденсатором и таким образом уменьшения заряда первого конденсатора.

17. Устройство по п. 15, в котором конденсаторы являются ультраконденсаторами.

18. Устройство по п. 15, в котором через последовательный блок в данный момент времени протекает соответствующий ток, который в разные моменты времени имеет положительное, отрицательное и нулевое значения, причем указанные средства оценивания соответствующей относительной емкости каждого конденсатора путем измерения напряжений на каждом из конденсаторов содержат средства выполнения многократных измерений относительной емкости и усреднения измеренных относительных емкостей, при этом каждое измерение относительной емкости содержит этапы, на которых:
измеряют в первый момент времени, когда ток, протекающий через блок, имеет значение, которое меньше первого заданного порога, соответствующее напряжение на каждом из конденсаторов, и таким образом определяют сумму напряжений, отображающую напряжение на всем последовательном блоке, и
снова измеряют во второй момент времени, после того, как ток, протекающий через указанный блок, превысит первый заданный порог и затем снизится до значения, которое меньше первого заданного порога, соответствующее напряжение на каждом из конденсаторов, и таким образом снова определяют
сумму напряжений, отображающую напряжение на всем последовательном блоке, причем
для каждого конденсатора разность между соответствующим напряжением, измеренным в первый момент времени, и соответствующим напряжением, измеренным во второй момент времени, берут в качестве соответствующего изменения напряжения,
для последовательного набора разность между напряжением на последовательном блоке, измеренным в первый момент времени, и напряжением на последовательном блоке, измеренным во второй момент времени, берут в качестве соответствующего изменения напряжения на последовательном блоке, и
для каждого конденсатора отношение его соответствующего изменения напряжения к изменению напряжения на последовательном блоке берут в качестве измеренной относительной емкости каждого конденсатора.

19. Устройство по п. 15, в котором средства заряда первого конденсатора до соответствующего уровня заряда, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора, выполнены так, что они не действуют ни в один из моментов времени, в которые действуют средства измерения напряжения.

20. Устройство по п. 15, в котором средства измерения напряжений выполнены так, что они действуют только в моменты времени, в которые не действуют средства заряда первого конденсатора до соответствующего уровня заряда, который ниже соответствующего уровня заряда второго конденсатора.

21. Устройство по любому из пп. 15, 16, 17, 18, 19 или 20, дополнительно содержащее последовательный блок конденсаторов.