专利名称：在双层电容器的单个单元之间平衡电荷的装置和方法
在双层电容器的单个单元之间平衡电荷的装置和方法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緩慢充电所述电容器模块的作用。对 此参见专利申i青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圏方需 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圏架。在所述:然而;个单元数的改变却°是可以预期的，因为随着所":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沖加 载并且需要专门的EMV退耦措施。另一个方面是运行所述逆程变换器的方法。市场上出售的控制电路 (开关控制器IC)几乎毫无例外地用一个固定的开关频率工作。磁存储 器(存储电感或者存储变压器的储能在输出回路中进行放电或者能量传 输的一个阶段中进行，这是所述时钟脉沖的另一个阶段。首先，除了所 开关的电流以外还随着传输一个直流成分(无空隙的工作)是有意义的。 很普遍地人们试图避免开关空隙，也就是一种其中磁的储能元件完全保 留放电的时间空间，因为会出现强振荡倾向并且不能够理想地利用磁芯 的存储特性。所述振荡基于由储能器电感和匝间电容构成的谐振回路以 及在开关空隙的开始就激励了该谐振回路并且没有由欧姆负载衰减的事 实。在所说明的应用情况下却不可能有一个无空隙的工作，因为在在连 续的磁存储器(储能电感或者变压器)再充电的情况下在其完全放电以 前不能够避免铁芯材料的饱和。本发明的技术问题是创建一种在多电压汽车的车用电源中的双层 电容器的单个单元之间电荷平衡用的装置，所述装置使得能够简化电路 结构和所述模块的电容器的引线；此外还可以有所述电荷平衡电路和所 述单个单元的一种功能监测；所述电路应当实质上能够用标准部件构成 并且以特别方式适用于构成在单元堆垛上或者单个的单元上；应当指望 简化整个系统并且由此易于规划。本发明的技术问题还有提出运行该装 置的方法。根据本发明该技术问题通过一种具有权利要求1所述的特征的装置 和具有权利要求10所述的特征的方法解决。本发明的有利的扩展方案在从属权利要求中说明。在附图中
图1示出根据本发明的一个原理电路；图2示出简单实施方式中的一个如本发明所述的电路的实施例； 图3示出差分实施方式中一个如本发明所述的电路的第二实施例； 图4示出一个开关晶体管的控制电路；图5示出简单实施方式中的电路的再充电电路；图6示出差分实施方式中的所述电路的一种再充电电路；图7示出一个整流器的原理电路图；图8示出一个限于简单的电荷平衡电路的整流器的一个实施例；图9示出扩展到差分电荷平衡电路的整流器的一个实施例。为了能够实现双层电容器堆垛中的单个单元的电荷平衡，应当从具 有最高电压的单元取出电能并且经过一个适当的电路输送到具有最低电 压的电容器。根据本发明的一个实施例的原理方框示意图在图1中示出。图l示出一个双层电容器，所述双层电容器由单个电容器单元Cl 至Cn的一个串联电路(堆垛)组成。为每个电容器单元Cl至Cn (下文中称为"单元")配属一个电容 器Cla至Cna,其第一连接端-可以经过一个第一开关Sla至Sna与所配属的单元Cl至Cn的 第一连接端连接，并且画可以经过一个第二开关Slb至Snb与所配属的单元Cl至Cn的 第二连接端连接电容器Cla至Cna的第二连接端相互连接。在后文中说明才艮据本发明的确定单元电压的方法，对于重新充电或 再充电确定的单元要求知道所述单元电压。全部下面说明的方法步骤原则上借助于没有示出的微处理器以程 序控制的方式进行。以一个预定的频率同步地导通和截止控制这两个开关Sla和Sna 以及反相位地导通和截止控制开关Slb和Snb。如杲在单元Cl和Cn上的电压VC1和Vcn相同，在开关时就没有电 源流过。然而如果在单元Cl和Vn上的电压VC1和VCn不相同，就有/人4支高 充电电压的单元流向有较低电压的单元，例如从单元Cl向单元Cn的一 个对应于该电压差的电流。由此电荷从较多充电的单元向较低充电的单 元移动，从而在这两个单元之间进行一种电荷平衡，而不影响其余的单 元。在单元Cl和Cn中流动一个脉沖的直流电流而在处于其间的单元 C2至Cn-1中流动一个交变的电流。图2示出图1所示的电路的一个实施例。图1中的开关Sla至Snb 在此实施为MOS-FET开关晶体管Tla至Tnb，其中电容器在Cla至Cna 的第 一连接端与第 一开关晶体管Tla至Tna的源极端连接并且与第二开 关晶体管Tib至Tnb的漏极端连接。第一开关晶体管Tla至Tna的漏 极端与被配属给它的单元CI至Cn的第一连接端连接，第二开关晶体管 Tib至Tnb的源极端与被配属给它的单元CI至Cn的第二连接端连接。并联于每个单元C1至Cn安排包括两个电阻器Rla-Rlb的一个串 联电路，其连接点与被配属给它的电容器Cla至Cna的第一连接端连接。 开关晶体管Tla至Tnb作为开关工作。作为如本发明所述的方法的初始条件是-所有的开关晶体管Tla至Tnb都不导通；-充电电容器Cla至Cna的方式是在开关晶体管Tla至Tnb上只 加以一个《艮j氐的电压，这是通过电阻Rla-Rlb至Rna-Rnb达到的；-单元CI具有一个高的充电电压而单元Cn具有一个低的充电电压；-应当通过单元CI向单元Cn的电荷移动进行一种电荷平衡。根据本发明所述电荷平衡方法，开始导通控制要再充电的单元的第 二开关晶体管Tlb和Tnb。经第二开关晶体管Tlb、电容器Cla和Cna 以及第二开关晶体管Tnb从单元C2的第一连接端向单元Cn的第二连接 端流过一个起始的平衡电流，直到由Cla和Cna构成的串联电路达到电 容器部分堆垛C2至Cn的电压V2 = Vc2+…+Vc^+Vc"在电容器Cla和Cna的串联电路上的电压V2 = Vc2+…+Vc^+Vcn 是以下方法的起始点现在第二开关晶体管Tib和Tnb不导通并且导通控制第一开关晶 体管Tla和Tna。在由此连接的单无CI至Cn-l的部分堆垛上加以另一 个、比这两个电容器Cla和Cn2 (V2)上高的电压V! -Vd+VcrK-.+Vc^:Vl = Vd+Vc2+…+Vc^V2 = Vc2+…+Vc^+Vcn从而得到一个差压 dVl = v广v2 = vcl—vCn因为，如本文开始处所定义，Vcl>Ven,压差dVl有一个正值，并 且从单元CI的第一连接端经过Tla、 Cla、 Tna并且经过单元Cn-l至Cl重新向所述起始点流回一个对应于所述电压差dVl的电流。于是这两 个电容器Cla和Cna加在电压VI上。如果这时重新不导通地控制第一开关晶体管Tla和Tna以及导通 控制第二开关晶体管Tib和Tnb,从而在电容器Cla和Cna上加以电压 VI，而在部分堆垛C2+.,.+Cn上的电压这时为V2。差压dV2有一个负值dV2 = V广V!,因此流过电容器Cla、 Cna的电流反向。这就是在该第一阶段中，电荷从单元C1流出进入电容器Cla、 Cna 并且在第二阶段中电荷从单元Cla、 Cna流出进入单元Cn。从而电荷转 移从较高充电的单元Cl向4交低充电的单元Cn进行。在其余的单元C2至Cn-l中电流视开关阶段而异有正号或者负号。 从而在此效果上没有电荷移动。在图3所示的另一个实施例中通过加倍图2所示的电路扩展所述平 衡电路。以相反时钟脉沖运行这两个电路，从而这时在一个时钟脉沖中同时 导通开关所述开关晶体管Tla和Tna以及Tld和Tnd并且在下一个时 钟脉沖中同时导通开关所述开关晶体管Tlb和Tnb以及Tl和Tnc。由此达到，在每个开关阶段中电流从较高充电的单元流向较低充电 的单元，这加速了充电过程，并且(相对于所述单元)把脉冲的电流进程 改善成一个直流形的(直流的)进程。还完全地消除了流经处于其间的单元(在所述实施例的情况下是C2 至Cn-l)的交变电流。由其安排所决定，在图2和图3中所示的开关晶体管Tla至Tnd 的电压电位，譬如在被配属给它的单元Cl至Cn上的电平，只有限地使 得能够有用接地基准的 一种简单的控制。也就是要求一种允许与直流电压电无关的开关晶体管的控制。还必 须在缺失控制时自动地关断所述开关晶体管，以避免缺失持续控制的情 况下损坏所述部件。在图4中示出这样一种开关晶体管的控制电路。该电路的功能以图 2和图3中所示的开关晶体管Tla和Tlb为例说明，并且也适用于图2 和图3中所示电路的其余开关晶体管T2a至Tnd。在图2和图3中示出开关晶体管Tla和Tlb本身和并联于单元Cl 安排的两个电阻Rla-Rlb的串联电路，其连接点与配属给单元C1的电 容器Cla的第一连接端连接。然而在这里却没有接通通过它们进行所述 控制的两个开关晶体管的栅极连接端。在图4所示的实施例的情况下，开关晶体管Tla和Tib的控制例 如通过控制信号Tla-Ein、 Tlb-Ein经各一个耦连电容器Clla、 Cllb 的容性耦连进行，其中还需要把相应的开关晶体管箝位到所述源极电位， 这通过各一个齐纳二极管Dla、 Dlb和各一个电阻Rlla、 Rllb进行， 所述电阻接入在所配属的开关晶体管Tla、 Tlb的源极连接端与栅极连 接端之间，其中所述齐纳二极管阴极连接端与所配属的开关晶体管的栅 才及连接端连接。各一个逻辑緩沖器IC1A、 IC1B起电流放大控制信号Tla-Ein、 Tlb-Ein的作用。在其输入端与所配属的开关晶体管Tla、 Tlb的栅极 连接端之间安排耦连电容器Clla或者Cllb。为了启动一个开关过程，应当把开关信号Tla-Ein和Tlb-Ein加 在低电平，而与逻辑緩沖器IC1A和IC1B的输出端连接的电容器Clla 和Cllb的连接端具有OV的电位。由电阻Rlla、 Rllb所决定，电容器Clla和Cllb与开关晶体管 Tla、 Tlb的栅极连接端连接的连接端处于开关晶体管Tlla、 Tllb的 源极电位。从而开关晶体管Tla、 Tlb的源-栅电压为0V,并且开关晶 体管Tla、 Tlb不导通。通过分压器Rla-Rlb (两个电阻有相同的阻值)把与开关晶体管 Tla的源极连接端与开关晶体管Tlb的漏极连接端连接的电容器Cla的 连接端调节到单元CI上的电压的一半。如果现在把信号Tla-Ein接到高电位，于是(在适当选择Clla 和Rlla的情况下)把开关晶体管Tla的源栅电压譬如提高了逻辑緩沖 器IC1A的输出端上的电压阶越的值并且导通开关晶体管Tla。要保证的是，所述电压阶越与开关晶体管Tla的接通电压相比足够 大。在此齐纳二极管Dla把所述源栅电压限制到一个对所述开关晶体管 允许的值。在进一步的过程中电容器Clla譬如通过电阻Rlla放电，然 而却不低于开关晶体管Tla的接通电压。然后，如杲控制信号Tla-Ein阶越到低电平，从而在开关晶体管Tla上的栅电压同样地下降控制信号Tla-Ein (逻辑緩沖器ICIA的输 出电压)相同的量。然而因为电容器Clla放电了，于是所述源栅电压这 时是负值。然而这却被限制到约-0.7V的值，因为齐纳二极管Dla这时 沿电流方向极化，从而箝位所述电压。同样地重新把电容器Clla再充电 到原来的值，从而可以在下一个接通过程中以同样的方式进行。控制信号Tla-Ein和Tib-Ein在电荷平衡运行中具有交替的高电 平和^f氐电平。至此说明的电路装置尽管可以在双层电容器堆垛中的单个或者多 个单元之间进行一种电荷平衡，然而总体上不会引起所述堆垛通过外部 电源进行再充电。如果双层电容器的总电压低于一个预定的最低值可要求一个再充 电。可以简单地构成充电电压Vcl至Vcn的存储值的和并且与所述预定的 最{ 氐值比较。在低于该最{氐值时可以从 一 个外部的电源再充电单个的单 元、单元组或者整个双层电容器。如果不要(或者不能)经所述双层电容器的连接端Vst进行再充电， 就有可能例如借助于一个附加的可开关的再充电电容器Cv经一个车用 电源进行所述再充电，如在图5中的简单平衡电路或者如图6中的差分 平衡电路所示。图5所示的再充电电路由一个再充电电容器Cv组成，其一个连接 端置于参照电位GND,并且经一个可开关的电流源Q以从一个外部电源 例如一个车用电源Vbat上出的稳恒电流通过一个开关SB充电到一个预 定的电压。与再充电电容器Cv并联地安排一个由两个相同阻值的电阻 Rvla、 Rv2a组成的分压器。此外-设有一个开关晶体管Tva，其漏极连接端与电流源Q和再充电电 容器Cv的连接点连接，并且其源极连接端通到节点A上且同时与两个电 阻Rvla、 Rv2a的连接点连接，并且-设有一个开关晶体管Tvb,其漏极连接端与节点A连接，并且其 源极连接端与基准电位GND连接。因为这两个开关晶体管Tva和Tvb都作用在电容器Cla至Cna的 连接节点A(参见图2)上，于是可以通过同时开关所述开关晶体管Tva 和Tla，或者此外还反相地开关Tva和Tib从再充电电容器Cv向单元Cl或者另一个单元转移电荷。从而能够有目标地再充电所述堆垛中的单个单元。相同阻值的电阻Rvla、 Rv2a起把连接点A放到再充电电容器Cv 的半直流电压电位上的作用。如杲所述单元堆垛或者其部分量中的充电电压相同，就可以通过同 时开关配属于这此单元的的开关晶体管向整个单元堆垛或者其部分量传 送电荷。以上所述在意义上也适用于开关晶体管Tvc和Tvd以及图6所示 的差分实施方式的连接节点B,图6是图5所示电路的双倍。在该实施 例中会加速再充电过程。通过适当地控制图2和图3所示的电路，可以非常简单地以较高的 精确性确定所述堆垛中每一个单元Cl至Cn的充电电压。为此首先不导通地控制全部开关晶体管Tla至Tnb (图2)或者 Tla至Tnd(图3)。这时交替地导通开关配属于一个单元，例如配属于 Cl,的开关晶体管Tla和Tlb (其中，在图3所示的电路的情况下同时 地开关所述开关晶体管Tla和Tlb以及对之反相地同时开关Tlb和 Tlc)。在节点A或者A和B上由此出现一个方波交替电压，其峰-峰值对 应于单元C1的充电电压。通过开关晶体管Tla和Tlb或者Tlc和Tld 的反相操作，在节点和B上的信号同样是反相的。如前文所说明，节点A 和B的直流电压值是再充电电容器Cv的充电电压值的一半。这种直流电 压值叠加在所述方波交替电压上。除了与所述再充电电路连接以外，节点A和B还与一个整流器的连 接端A或者A和B连接，所述整流器把方波交变电压整流成相对于基准 电位GND的直流电压。这样一个整流器的原理示于图7中。如果通过测量所述整流器的输 出电压Vout确定和存储例如单元Cl的充电电压，重新不导通地开关配 属于单元Cl的开关晶体管Tla和Tlb或者Tla至Tld。接着可以对应地开关所配属的开关晶体管在整流器的输出端Vout 探测单元C2或者另一个单元的电荷电压。以这种方式可以相继地确定和存储所述堆垛的所有单元的充电电压。如果不采用再充电电路(如图5、 6所示)，可以通过在节点A或 者B之间引入一个电阻并且施加一个约2.5V的基准电压，把该节点的 直流电位设置在一个基准电位上。通过该做法于是达到， 一个选取的电容器(例如Cl)的充电电压 从在一定情况下较高的直流电压电位转变成以基准电位为基础的交变电 压。然后可以用一个适当的整流器把该交变电压转换成相对基准电位 GND的对应于所述峰对峰值的直流电压。它由此适用于，例如在一个微 控制器的一个A/D转换器的输入端上，进一步处理。图8示出 一个局限于图2所示的简单的电荷平衡电路的公知的实施 例，分析所述单元电压用的构成为同步解调器的整流器(参阅DE 100 34 060,图5及相关说明)。该整流器的辅r入端经一个切:換开关Schla与图2所示的平衡电路 的(电容器Cla至Cna)的节点A连接。该切换开关Schla的控制信号 对应于图4中所示的信号Tla-Ein至Tna-Ein,其中，选取分别配属 于要测量的电容器Cl至Cn的信号。通过简单地扩充图8所示的整流器电路，该电路还适用于图3所示 的电荷平衡电路的实施例情况下整流差分信号。为此只对切换开关Schla添加一个切换开关Schlb,其中借助于 相应地配属给要测量的单元C1至Cn的开关晶体管的控制信号(对于单 元Cl这是控制信号Tla-Ein,对于单元Cn这是控制信号Tna-Ein ) 切换这两个切换开关。从而在所述一个阶段，把节点A与所述整流器(运 算放大器AMP1)的输入端A连接，把节点B与所述整流器(运算放大器 AMP2 )的输入端B连接；而在另一个阶段，把节点A与输入端B相连接， 把节点B与输入端A进行连接。这样一个实施例示于图9中。测量单元C1的一个单元的充电电压 控制信号采用信号Tla-Ein。测量单元C2至单元Cn相应地采用控制信 号T2a-Ein至Tna-Ein。在一个电容器堆垛上运行的情况下得出一个很有意义的由一个微 处理器程序处理的功能过程。根据本发明在确定的、预定的间期涉及以下的方法过程-测量所有单元的充电电压；如前所述，为此开关配属给相应要测量的单元的开关晶体管，测量和存储所述单元的充电电压Vc;-确定是否要求一个电荷平衡；把所存储的所有单元的所述充电电 压的值在其差值上相互比较；如果一个或者多个所述差在一个预定的极 限值以上，就必须在有大的差值的单元之间进行一种电荷平衡。-把所述充电电压与一个预定的最高值比较。如果一个或者多个值 在一个最大值以上，就必须通过电荷平衡与最低充电的单元进行部分的 放电-在如此确定的单元之间进行电荷平衡； -周期地测量参与电荷平衡的单元的充电电压； -如果充分地相互均衡了所述单元的充电电压，就结束所述平衡过程。如果追求尽可能快的电荷平衡，作为可供选择的替代方案可以在一 个第 一阶段中开关配属给所述单元的全部开关晶体管，也就是同时地开 关Tla至Tna和Tld至Tnd，以及在第二阶段中同时地开关Tib至Tnb 和Tic至Tnc。相对于两个单元之间的平衡没有提高单个开关晶体管中 的电流，尽管在每个单位时间都有总的运动的电荷。这比从整个堆垛向 有最低充电电压的单元转移电荷的其它的方法在实质上有效。如果采用图6所示的一种再充电，就可以-再充电一个单个的单元。如果例如由于改变显示一个单元相当地 提高了自放电这是特别地有意义的；-再充电任意部分量的单元。如果在所述堆垛中使用不同特性(容 量、自放电)的单元并且要使该部分量适应于所述堆垛的其余部分，这 是特别有意义的；-如果尽管所述堆垛是平衡的，但是总体上有过低的充电电压，再 充电整个的电容器堆垛。如果不采用再充电，从而-在简单运行的情况下，设置一个电阻，其一个连接端与所述电荷平衡电路的节点A连接，并且其另一个放在一个基准电压Vref (例如 +2.5V)上(在图8中用虚线示出)，-在差分运行的情况下，为电荷平衡电路的每个节点A、 B设置一个 电阻，其中一个连接端与节点A或者B连接，并且其另一个放在一个基 准电压Vref (例如+ 2.5V)上(在图9中用虚线示出)。本发明的优点在于 -所述电路的效率非常高；-通过采用作为开关运行的开关晶体管只有很少的损耗；-所述单元的连接和电位分隔通过电容器进行；-对于电路仅需要少量和价格低廉的元件；-可以简单和高精确度地测量所述堆垛中的每个单个单元的电压；-可以随时启动一个平衡过程；-电荷平衡的电能不必从整个堆垛取出，而是可以有目的地乂人一个 确定的(最高充电的)单元取出；-所述电路使得能够有一种在单个单元或者所述堆垛的单元组与整 个堆垛之间有目标的电荷平衡；-在适当的电路选择(差分电路)的情况下所述电荷平衡在两个任 意的单元之间进行，而在所述单元之间没有交变电流负荷；-在一个单元故障(例如短路)的情况下也可以有一种电荷平衡-简单地不再操作配属给所涉单元的电路；一可以有单个单元或者单元组和整个堆垛的再充电；-所述电路特别有效，因为在不同的功能条件下可以多重利用相应 的电路部分；-整个系统扩展简单并且可以轻易地身见划。
权利要求
1.尤其在一个多电压汽车的车用电源中的双层电容器的单个单元(C1至Cn)之间电荷平衡用的装置，其特征在于，给所述双层电容器的每个单个单元(C1至Cn)配属一个电容器(C1a至Cna)，该电容器(C1a至Cna)的第一连接端可以经一个第一开关(S1a至Sna)与所配属的单元(C1至Cn)的第一连接端连接，并且可以经过一个第二开关(S1b至Snb)与所配属的单元(C1至Cn)的第二连接端连接，并且该电容器(C1a至Cna)的第二连接端与所有电容器(C1至Cn)的第二连接端相互连接。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，在简单运行的电荷平衡电路的情况下，第一和第二开关(Sla至 Snb ) ^皮实施为MOS-FET ( Tla至Tnb ),所述电容器(Cla至Cna)的第一连接端与第一开关晶体管(Tla 至Tna)的源极端连接并且与第二开关晶体管(Tib至Tnb)的漏极端 连接，所述电容器(Cla至Cna)的第二连接端相互连接在一个节点(A)中，第一开关晶体管(Tla至Tna)的漏极端与^L配属给它的单元(Cl 至Cn)的第一连接端连接，第二开关晶体管(Tib至Tnb)的源极端与被配属给它的单元(Cl 至Cn)的第二连接端连接，和并联于每个单元(cl至Cn )地设置一个包含两个电阻器(Rla-Rlb ) 的串联电路，这两个电阻器(Rla-Rlb)的连接点与被配属给它们的电 容器(Cla至Cna)的第一连接端连接。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，为了差分运行而设置一个并联于所述第一电荷平衡电路的第二电 荷平衡电路，其中第一和第二开关被实施为MOS-FET (Tic至Tnd)，所述电容器(Clb至Cnb)的第一连接端与第一开关晶体管(Tic 至Tnc)的源极端连接并且与第二开关晶体管(Tld至Tnd)的漏极端 连接，所述电容器(Clb至Cnb)的第二连接端相互连接在一个节点(B)中，该第一开关晶体管(Tlc至Tnc)的漏极端与被配属给它的单元(Cl 至Cn)的第一连接端连接，该第二开关晶体管(Tld至Tnd)的源极端与被配属给它的单元(Cl 至Cn)的第二连接端连接，并且并联于每个单元(Cl至Cn )地设置一个包含两个电阻器(Rlc-Rld 至Rnc-Rnd)的串联电路，这两个电阻器(Rlc-Rid至Rnc-Rnd)的 连接点与被配属给它们的电容器(Clb至Cnb)的第一连接端连接。
4. 如权利要求2或3所述的装置，其特征在于， 对每个开关晶体管(Tla至Tnd)作为控制电路进行设置，其中设置一个逻辑緩冲器(ICla至ICnd)和一个耦连电容器(Cla至Clnd) 的串联电路，可以通过所述串联电路向开关晶体管(Tla至Tnd)的栅 才及连接端输入控制信号(Tla-Ein至Tnd-Ein),在源极端与栅极端之间设有一个齐纳二极管(Dla至Dnd),其阴 极与所述栅极连接端连接，并联于齐纳二极管(Dla至Dnd )接入一个电阻(Rlla至Rllnd)。
5. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，设有一个再充电电路，所述再充电电路有一个再充电电容器(Cv), 该再充电电容器(Cv)的一个连接端置于参照电位(GND)，并且可以 经一个可开关的电流源(Q)利用从出自一个外部电源(Vbat)的稳恒 电流经过一个开关(SB)而^f皮充电到一个预定的电压，对于简单的运行与再充电电容器(Cv)并联地布置一个由阻值相等的两个电阻 (Rvla、 Rv2a至Rvna、 Rvnb)组成的分压器，设有一个开关晶体管(Tva)，其漏极连接端与电流源(Q)和再充 电电容器(Cv)的连接点相连接并且其源极连接端连接到节点(A)上并 且同时与两个电阻(Rvla、 Rv2a至Rvna、 Rvnb)的连接点连接，并 且-设有一个开关晶体管(Tvb)，其漏极连接端与节点(A)连接， 并且其源极连接端与基准电位(GND)连接。
6. 如权利要求2或3所述的装置，其特征在于， 对于差分运4亍设有一个并联于所述第一再充电电路的第二再充电电路，具有一个并联于该再充电电容器(Cv)的由两个相同阻值的电阻 (Rvlc-Rv2d至Rvnc-Rvnd)纟且成分压器，具有一个开关晶体管(Tva),其漏极端与电流源(Q)和再充电电 容器(Cv)的连接点连接，并且其源极端与节点(B)连接并且同时与所 述两个电阻(Rvla-Rv2a至Rvna-Rvnb )的连接点连接，并且具有一个开关晶体管(Tvb),其漏极端与节点(B)连接，并且其 源极端与基准电位(GND)连接。
7. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，设有公知的构成为同步调制器的整流器，该整流器输入端在简单运 行的情况下与电荷平衡电路的节点(A)连接。
8. 如权利要求3或7所述的装置，其特征在于， 在差分运行的情况下，设有两个切换开关(Schla、 Schlb),所述切换开关(Schla、 Schlb)在一个位置把所述整流器的一个输入端 与所述电荷平衡电路的节点(A)连接并且把所述整流器的另一个输入端 (B)与所述电荷平衡电路的节点(B)连接，并且在另一个位置把所述整 流器的一个输入端(A)与所述电荷平衡电路的节点(B)连接并且把所 述整流器的另一个输入端(B)与所述电荷平衡电路的的节点(A)连接， 其中由被配属给要测量其充电电压的单元(Cl至Cn )的开关晶体管(Tla 至Tna )的控制信号(Tla-Ein至Tna-Ein)同步地切换所述两个切换 开关(Schla、 Schlb)。
9. 如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于， 在没有再充电电路的情况下，对于简单运行，设有一个电阻，其一个连接端与所述电荷平衡电路 节点(A)连接，并且其另一个连接端置于一个基准电压(Vref)上，对于差分运行，对所述电荷平衡电路的每个节点(A、 B)各设一个 电阻，其一个连接端与节点(A、 B)连接，并且其另一个连接端置于一 个基准电压(If)上。
10. 运行如权利要求1至9中任一项所述装置的方法，其特征在于，在简单运行以测量一个单元(在此为Cl)的充电电压的情况下， 交替地以一个预定频率导通地开关配属于该单元的开关晶体管(Tla、Tib)，并且用所述整流器把由此在节点(A)处在一个高的直流电压电位上的 方波交变电压转变成参照基准电位(GND )而言的对应于所述充电电压的 直流电压(单元Cl的Vd),接着存储该直流电压。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在差分运行以测量一个单元(在此为CI)的所述充电电压的情况 下，同时导通地控制开关晶体管(Tla和Tld)以及对之反相导通地控 制配属于该单元的开关晶体管(Tlb和Tlc)，由此在节点(A)和节点 (B)上出现相互反相的方波交变电压，它们的峰-峰值用所述整流器转 变成参照基准电位(GND)而言的对应于所述充电电压的直流电压(单元 Cl的Vd),接着存储该直流电压。
12 .如权利要求10或11所述的方法，其特征在于， 以周期性的间隔测量并且存储所有单元(CI至Cn )的充电电压(Vcl 至Vj 。
13. 如权利要求10或11所述的方法，其特征在于， 以周期性的间隔把存储的所有单元的充电电压(Vd至Vcn)相互比较它们的差，并且与一个预定的最高值比较，并且如果一个或者多个差超过一个预定的限值或者一个或者多个值超 过所述预定的最高值，那么在相应最高充电的和相应最低充电的单元(Cl 至Cn)之间相继顺序地进行一个电荷平衡。
14. 如权利要求12或13所述的方法，其特征在于， 形成^L存储的充电电压(Vd至Vcn)的和并且与一个预定的最低值进行比较，并且在低于该最低值的情况下从一个外部的电能源对单个的 单元、单元组或者整个双层电容器进行再充电。
15. 如权利要求13所述的方法，其特征在于， 在用于从一个较高充电的单元(Cl)向一个较低充电的单元(Cn)以预定的频率进行电荷平衡的的简单运行的情况下，在一个第一步骤中导通地控制较高充电的单元(Cl)的第一开关晶 体管(Tla)和较低充电的单元(Cn)的第一开关晶体管(Tna),由此 把串联连接的、配属给所述单元(Cl)和单元(Cn)的电容器在(Cla和Clna)充电到一个电压V,-Vci+Vc2+…+Vcn-;L,并且在一个第二步骤中不导通地控制第一开关晶体管(Tla和Tna)，并且此时导通地控制较高充电的单元(Cl)的第二开关晶体管(Tib) 和较低充电的单元(Cn)的第二开关晶体管(Tnb),其中单元(C2) 至单元(Cn)具有比在电容器(Cla和Cna)上的电压V, ^f氐的电压V2 =Vc2+…+Vcn-;L+Vcn，由此一个平衡电流/人配属》会这两个重新充电的单元(Cl和Cn)的 电容器(Cla和Cln)流入较低充电的单元(Cn)中，并且重复上述过程直至这两个单元(Cl和Cn)具有近似相等的充电电 压为止。
16. 如权利要求13或15所述的方法，其特征在于， 在差分运行的情况下，在一个第一步骤中导通地控制第一开关晶体管(Tla和Tna)以及同时导通控制第二开关晶体管(Tld和Tnd)，并且在第二步骤中导通地控制第二开关晶体管(Tib和Tnb)以及同时 导通地控制第一开关晶体管(Tlc和Tnc)。
17. 如权利要求13所述的方法，其特征在于， 对于一种在所述双层电容器中的快速电荷平衡， 在一个第一步骤中导通地控制一侧的所有第一开关晶体管(Tla至Tna)以及同时导通控制另一側的所有第二开关晶体管(Tld至Tnd), 并且在第二步骤中导通地控制一侧的所有第二开关晶体管(Tib至Tnb ) 以及同时导通地控制另一侧的所有第一开关晶体管(Tlc至Tnc)。
18. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，为了对一个单元(在此是Cl)进行再充电而通过一个可开关的电 流源(Q)和一个开关(SB)从一个外部的电能源(Vbat)以恒定的电流 把再充电电容器(Cv)充电到一个预定的电压，并且接着在简单运行的情况下，通过同时导通控制开关晶体管(Tva)和配 属给要充电的单元(在此是C1)的第一开关晶体管(Tla)，在差分运行的情况下，通过同时导通控制开关晶体管(Tva)、配 属给要充电的单元(在此是Cl)的第一开关晶体管(Tla)和配属给要 充电的单元(Cl)的第二开关晶体管(Tld),从再充电电容器(Cv)向要充电的单元(Cl)进行充电。
19. 如权利要求10至18中任一项所述的方法，其特征在于，借助于微处理器以程序控制方式实施全部的方法步骤。
全文摘要
尤其在一个多电压汽车的车用电源中的一个双层电容器的单个单元之间电荷平衡用的装置和方法，其中，对所述双层电容器的每个单个单元配属一个电容器，其第一连接端可以经一个第一开关与所配属的单元的第一连接端连接，并且可以经过一个第二开关与所配属的单元的第二连接端连接，并且其第二连接端与所有电容器的第二连接端相互连接。
文档编号H02J7/00GK101283495SQ200680031903
公开日2008年10月8日 申请日期2006年9月1日 优先权日2005年9月2日
发明者M·格岑贝尔格, R·克诺尔, S·博尔茨 申请人:威迪欧汽车电子股份公司