WO2006111532A2 - Verfahren zum betreiben eines kondensators - Google Patents

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WO2006111532A2
WO2006111532A2 PCT/EP2006/061646 EP2006061646W WO2006111532A2 WO 2006111532 A2 WO2006111532 A2 WO 2006111532A2 EP 2006061646 W EP2006061646 W EP 2006061646W WO 2006111532 A2 WO2006111532 A2 WO 2006111532A2
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minimum voltage
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/90—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/971—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters
    • H02J7/975—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature
    • H02J7/977—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature of the battery

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a capacitor, in particular as energy storage for rail vehicles.
  • the invention has for its object to provide a method for operating a capacitor, which allows optimal utilization of the still usable energy storage potential of the capacitor even at ungüns ⁇ term outer boundary conditions, such as a high ambient temperature, and / or already aged capacitors.
  • the invention provides that for storing energy in a capacitor, this is electrically charged, and indeed maximally until it has reached a predetermined Maxi ⁇ painting voltage.
  • the capacitor is only discharged to the extent that a predetermined minimum voltage of the capacitor is maintained.
  • the predetermined minimum voltage according to the invention is a variable variable which is set as a function of a temperature value indicative of the respective internal temperature of the capacitor.
  • An essential advantage of the inventive method is that a warm-up of the capacitor during operation to values above a permissible operating tempera ture ⁇ reliably prevented; because in the method according to the invention, the energy given for
  • the invention makes use of the findings that the heating of the capacitor increases the more the charge of the capacitor is lower. This is due to the fact that in egg ⁇ ner energy extraction, the voltage of the capacitor drops. If now a constant electric power is taken from the capacitor - as is customary in a use of the capacitor, for example in rail vehicles, then a voltage drop of the output voltage of the capacitor must be compensated by a higher discharge, namely the product of output voltage and output current determines the extraction capacity. Each capacitor has always technically due to an internal resistor through which the discharge current of the capacitor flows ⁇ . The current flow through the In ⁇ nenwiderstand leads to a thermal power loss within the capacitor and thus to a heating of the capacitor.
  • the thermal losses of the capacitor thus increase even more in the further the Kondensa ⁇ gate is discharged.
  • an impermissible temperature increase of the capacitor can now be avoided by setting the minimum voltage of the capacitor for the discharging process as a function of the respective internal temperature of the capacitor. If, for example, the minimum voltage is increased, the "operating range” or the “energy extraction range” of the capacitor is limited.
  • the capacitor is thus brought by the increase in the minimum voltage in an operating range in which it has a particularly high output voltage; can be voltages with large output ⁇
  • a fixed discharge of the capacitor even at a relatively low discharge provided so that thermal losses are reduced within the condenser.
  • Another essential advantage of the invention is that it is possible to dispense with expensive cooling measures for cooling the capacitor entirely or at least partially, since overheating of the capacitor can be reliably prevented by the tracking of the minimum voltage value according to the invention.
  • a third significant advantage of the method according to the invention is that the life of the capacitor can be significantly increased, since a capacitor damaging operation in an elevated temperature range by the readjustment of the minimum voltage is avoidable.
  • a fourth significant advantage of the method according to the invention is that a complete shutdown of the capacitor - due to temperature - is only rarely required lent, because the occurrence of critical temperatures can be prevented by reducing the operating range of the capacitor usually in advance.
  • the capacitor may be used to buffer driving energy of a rail vehicle, which capacitor is charged when the rail vehicle is decelerated by feeding the released kinetic energy of the vehicle to the capacitor as an electrical energy after energetic conversion. Entspre ⁇ accordingly the capacitor is discharged when the railway vehicle is to be accelerated, the ge in the capacitor ⁇ stored energy is used to accelerate the vehicle.
  • the time required for the acceleration process of the vehicle "residual power" is preferably taken from another power source, for example, a rule ⁇ electrical contact wire, with which the vehicle is connected.
  • the process according to the invention can be carried out particularly preferably with double-layer capacitors;
  • Doppeltikkon- capacitors have typically acetonitrile as electrolyte, whose boiling temperature is 81 0 C.
  • a heating of the capacitor to temperature ranges close to the boiling temperature is preferably - as explained by increasing the minimum ⁇ voltage - avoided, in particular also because in an operation of such double-layer capacitors in the upper temperature range, the life would be significantly reduced.
  • Minimum voltage is preferably set to the value of the maximum voltage, so that further energy extraction from the capacitor is ⁇ prevented.
  • the capacitor thus remains in its charged state, so that no further heating of the capacitor can occur.
  • Increasing the minimum voltage as a function of the respective inner temperature of the condenser can advantageously be effected for example in such a way that the minimum voltage is set to a fixed predetermined standard value, ⁇ remotely the temperature value below a predetermined normal ⁇ is operating. Once the condenser temperature exceeds the normal operating temperature, the minimum voltage ⁇ according to a predetermined increasing function in dependence increased from the respective temperature. Increasing the minimum voltage depending on the internal temperature of the capacitor, for example, linearly he ⁇ follow. Alternatively, other growth functions can be selected, for example, the minimum voltage can be schematically quadratic or exponential raised structure as a function of the internal temperature ⁇ .
  • the standard value for the minimum voltage of the capacitor is preferably set to 50% of the maximum voltage value. With such a minimum voltage value, 75% of the energy stored in the capacitor can be taken.
  • the internal temperature of the capacitor can, for example, be determined un ⁇ indirectly by being tursensors directly measured by a temperature.
  • the measuring sensor may, for example, be arranged inside the capacitor so that it can measure the temperature of the electrolyte directly.
  • the internal temperature of the capacitor can also be determined indirectly by other metrics Be ⁇ humor of the indoor temperature are used.
  • the internal temperature of the capacitor can be determined by means of measurement values indicating the ambient temperature of the capacitor, the current flowing through the capacitor current, the electrical internal resistance of the capacitor and the resistance of the capacitor thermi ⁇ rule.
  • ⁇ tion of the measured values for the square of the current and the inner ⁇ resistance namely the power loss can be calculated within the capacitor.
  • a geeig ⁇ Neten temperature model thermal resistances
  • the indirect determination of the internal temperature can take place, for example, by determining from a given temperature table Ie as a function of the measured values for the ambient temperature ⁇ Tempe, the capacitor resistor and the current is read out of the respective temperature value;
  • a given temperature table Ie as a function of the measured values for the ambient temperature ⁇ Tempe, the capacitor resistor and the current is read out of the respective temperature value;
  • the values for the capacitor internal resistance and for the current can be summarized in the form of an electrical power value.
  • the determination of the internal temperature of the capacitor can also take place in that the measured values for the ambient temperature, the capacitor internal resistance and the current are used in a mathematical temperature determination function determined empirically or by a previous simulation, with which the internal temperature of the capacitor is calculated.
  • the internal resistance of the capacitor in double layer capacitors on the basis of acetonitrile, the internal resistance of the capacitor as a function of its state of aging increases excessively, so that the capacitor internal resistance should be measured periodically or continuously network in order to determine the internal temperature ⁇ structure of the capacitor based on a calculation using the Capacitor internal resistance is as accurate as possible.
  • the measurement of the internal resistance of the capacitor can be effected by at ⁇ play a manner that the output voltage of the capacitor and the current flowing through the capacitor current are measured and a quotient of the corresponding measured values is performed.
  • the invention also relates to a capacitor in which an optimal utilization of the still usable energy storage potential of the capacitor is possible even in unfavorable external boundary conditions, such as a high ambient temperature, and / or aging.
  • an energy ⁇ memory in which a control device available is that controls the energy extraction process by allowing an energy extraction of the capacitor only to the extent that ei ⁇ ne predetermined minimum voltage of the capacitor is maintained.
  • the control device selects the respectively permissible minimum voltage as a function of a temperature value indicating the internal temperature of the capacitor.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an inventive energy storage device with a capacitor and a control device which controls the energy extraction process from the capacitor and this determines the internal temperature of the capacitor indirectly, and
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a erfindungemä- Shen energy storage device with a capacitor and a control device that determines the internal temperature of the capacitor immediately.
  • FIGS. 1 and 2 the same reference numerals are used for comparable or identical components.
  • FIG. 1 shows an energy store 10 which can be used, for example, for temporarily storing driving energy of a rail vehicle not shown in FIG.
  • the energy storage 10 is charged for buffering driving energy in each case when the vehicle is decelerated by the released kinetic energy of the vehicle is fed as electrical energy into the energy storage 10.
  • the electrical energy previously stored in the energy storage device 10 is removed therefrom and used to accelerate the vehicle.
  • the energy store 10 has a double-layer capacitor 20 with an electrolyte 30 contained therein, which is, for example, acetonitrile having a boiling point of 81 0 C.
  • the energy store 10 is also equipped with a control device 40, which includes a switching device 50 and an evaluation device 60.
  • the evaluation device 60 is connected to the two outer terminals 70 and 80 of the double-layer capacitor 20 and measures the respective output voltage Ua of Doppel Anlagenkondensa ⁇ sector 20.
  • the evaluation device 60 is connected to a current measuring device 90 in connection with which they the respective output current Ia of Double layer capacitor 20 measures continuously; the measurement signal indicative of the size of the output current Ia is identified in FIG. 1 by the reference symbol Mi.
  • control device 40 The function of the control device 40 is to control the charging process and the discharging process of the double-layer capacitor 20:
  • the evaluation device 60 of the control device 40 continuously measures the output voltage Ua of the capacitor and breaks off the charging process by opening the switching device 50 as soon as the output voltage Ua has reached a predetermined maximum voltage Umax. The capacitor is then fully charged and can not absorb any more energy.
  • the evaluation device 60 can be formed, for example, by a microprocessor arrangement with a memory device in which the corresponding control parameters and method sequences are stored.
  • the evaluation device 60 To discharge the double layer capacitor 20 60 monitors the evaluation device, both the output voltage Vout and the output current Ia and with the aid of an external tem- peratursensors 100, the ambient temperature Ta detected the double ⁇ layer capacitor 20. With the aid of these measured values Ua, Ia and Ta, the evaluation device 60, the respective inner ⁇ temperature Ti in the electrolyte 30 of the Doppel Anlagenkondensa ⁇ tors 20th
  • the determination of the internal temperature Ti of the capacitor 20 can take place in that the measured values Ua, Ia and Ta are used in a Ta ⁇ belle permanently stored in the evaluation device 60 and the corresponding internal temperature Ti is read out.
  • the corresponding temperature table can be determined empirically, for example, by previously recording the thermal behavior of the double-layer capacitor 20 at different ambient temperatures and different operating modes and storing it in a table. Alternatively, the readings can also be translated into a mathematical
  • the minimum voltage is increased linearly, in accordance with a predetermined ramp function;
  • the ramp function might look like this:
  • Umin (Ti-Tnorm) / (Tmax-Tnorm) * ⁇ u + UminO,
  • the minimum voltage Umin is thus increased with increasing internal temperature Ti of the capacitor, so that the energy which can be removed from the capacitor is limited. Should it come to a further increase in temperature, for example, due to a very high output temperature Ta outside of the capacitor 20, so that the In ⁇ nentemperatur Ti of the capacitor 20 reaches a predetermined maximum temperature Tmax for the capacitor or exceeded ⁇ tet, so the minimum voltage on a value
  • ⁇ u is preferably chosen as follows:
  • the evaluation device 60 stops the further energy removal by switching off the discharge current Ia from the capacitor 20 by means of the switching device 50. Thus, no further voltage drop can occur via the internal resistance Ri of the capacitor 20, and thus no further heating of the capacitor 20 can take place.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of an energy store 10. It can be seen that in this operation example ⁇ from the temperature sensor 100 within the Dop ⁇ pel Anlagenkondensators 20 is arranged and thus the inner ⁇ temperature Ti of the capacitor 20 immediately measures. The control device 40 can thus directly access a measured value indicative of the internal temperature Ti and does not have to determine it indirectly by evaluating the output voltage Ua, the output current Ia and the external temperature Ta in the environment of the capacitor 20.
  • control device 40 functions analogously to the control device 40 according to FIG. 1.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kondensators, insbesondere als Energiespeicher für Schienenfahrzeuge . Um auch bei ungünstigen äußeren Randbedingungen, wie beispielsweise einer hohen Umgebungstemperatur, und/oder bei bereits gealterten Kondensatoren eine optimale Ausnutzung des noch nutzbaren Energiespeicherpotenzials des Kondensators zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben eines Kondensators (20) vorgeschlagen, bei dem zum Abspeichern von Energie der Kondensator (20) aufgeladen wird, und zwar maximal soweit, bis er eine vorgegebene Maximalspannung (Umax) erreicht, und zur Energieentnahme der Kondensator (20) entladen wird, jedoch nur soweit, dass eine vorgegebene Minimalspannung (Umin) erhalten bleibt, wobei die Minimalspannung eine variable Größe ist, die bei zunehmender Innentemperatur (Ti) des Kondensators angehoben wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Kondensators
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kondensators, insbesondere als Energiespeicher für Schienenfahrzeuge .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kondensators anzugeben, das auch bei ungüns¬ tigen äußeren Randbedingungen, wie beispielsweise einer hohen Umgebungstemperatur, und/oder bei bereits gealterten Kondensatoren eine optimale Ausnutzung des noch nutzbaren Energiespeicherpotenzials des Kondensators ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zum Speichern von Energie in einem Kondensator dieser elektrisch aufgeladen wird, und zwar maximal soweit, bis er eine vorgegebene Maxi¬ malspannung erreicht hat. Bei der Energieentnahme wird der Kondensator nur soweit entladen, dass eine vorgegebene Minimalspannung des Kondensators erhalten bleibt. Die vorgegebene Minimalspannung ist erfindungsgemäß eine variable Größe, die in Abhängigkeit von einem die jeweilige Innentemperatur des Kondensators angebenden Temperaturwert eingestellt wird.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein Aufwärmen des Kondensators während des Betriebs auf Werte oberhalb einer zulässigen Betriebstempera¬ tur zuverlässig verhindert wird; denn bei dem erfindungsgemä- ßen Verfahren wird die für die Energieentnahme vorgegebene
Minimalspannung temperaturabhängig festgelegt. Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnisse zunutze, dass die Erwärmung des Kondensators umso mehr ansteigt, je geringer die Ladung des Kondensators ist. Dies liegt konkret daran, dass bei ei¬ ner Energieentnahme die Spannung des Kondensators abfällt. Wird nun eine konstante elektrische Leistung aus dem Konden- sator entnommen - wie dies bei einem Einsatz des Kondensators beispielsweise in Schienenfahrzeugen üblich ist-, so muss ein Spannungsabfall der Ausgangsspannung des Kondensators durch einen höheren Entladestrom ausgeglichen werden, da nämlich das Produkt aus Ausgangsspannung und Ausgangsstrom die Ent- nahmeleistung bestimmt. Jeder Kondensator weist technisch bedingt stets einen Innenwiderstand auf, durch den der Entlade¬ strom des Kondensators fließt. Der Stromfluss durch den In¬ nenwiderstand führt zu einer thermischen Verlustleistung innerhalb des Kondensators und damit zu einem Aufheizen des Kondensators. Im Ergebnis steigen die thermischen Verluste des Kondensators somit umso mehr an, je weiter der Kondensa¬ tor entladen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich nun eine unzulässige Temperaturerhöhung des Kondensators vermeiden, indem die Minimalspannung des Kondensators für den Entladevorgang in Abhängigkeit von der jeweiligen Innentemperatur des Kondensators eingestellt wird. Wird beispielsweise die Minimalspannung erhöht, so wird der „Betriebsbereich" bzw. der „Energieentnahmebereich" des Kondensators begrenzt. Der Kondensator wird durch die Erhöhung der Minimalspannung damit in einen Betriebsbereich gebracht, in dem er eine besonders große Ausgangsspannung aufweist; bei großen Ausgangs¬ spannungen kann jedoch eine fest vorgegebene Entladeleistung des Kondensators auch bei relativ kleinen Entladeströmen bereitgestellt werden, sodass thermische Verluste innerhalb des Kondensators reduziert werden. Konkret kann also bei dem er¬ findungsgemäßen Verfahren der „thermische Wirkungsgrad" des Kondensators temperaturabhängig verbessert werden, indem dieser in einem höheren Ausgangsspannungsbereich und damit bei kleineren Entladeströmen betrieben wird, sobald festgestellt wird, dass die Innentemperatur des Kondensators zu hohe Werte erreicht. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht dabei darin, dass die nutzbare Energiespeicherkapazität des Kondensators aufgrund der Erhöhung der Minimalspannung nur unwesentlich abnimmt, da der Energiespeicherinhalt des Kon¬ densators vom Quadrat der Spannung abhängt; es gilt nämlich
W = V2 C*U2,
wobei W die im Kondensator gespeicherte Energie, C die Kapa¬ zität und U die Spannung bezeichnen. Dies soll anhand eines Zahlenbeispiels nachfolgend verdeutlicht werden: Beträgt die Minimalspannung beispielsweise 50% der Maximalspannung, so kann während eines Entnahmevorgangs aus einem vollständig aufgeladenen Kondensator 75% der abgespeicherten Energie entnommen werden. Wird die Minimalspannung nun auf einen Wert von 60% der Maximalspannung erhöht, so ist dies - bezogen auf eine Minimalspannung von 50% - eine Erhöhung des Spannungs¬ wertes um 20%; trotz dieser Erhöhung um 20% kann dennoch noch ein Energieanteil von 64% der abgespeicherten Energie aus dem Kondensator entnommen werden, so dass die Reduktion der entnehmbaren Energie lediglich 15% - bezogen auf den maximalen Energieentnahmewert von 75% - beträgt. Aufgrund des quadrati¬ schen Zusammenhangs zwischen der Spannung des Kondensators und der darin gespeicherten Energie sowie aufgrund des quad¬ ratischen Zusammenhangs zwischen der thermischen Erwärmung des Kondensators und dem durch den Kondensator fließenden Strom kann somit durch ein geringfügiges Reduzieren der Mindestspannung für den Entladevorgang des Kondensators eine erhebliche Reduktion der thermischen Erwärmung erreicht werden, ohne dass die tatsächlich entnehmbare Leistung des Kondensa¬ tors wesentlich reduziert wird.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auf aufwendige Kühlmaßnahmen zum Kühlen des Kondensators ganz oder zumindest teilweise verzichtet werden kann, da ein Überhitzen des Kondensators durch das erfindungsgemäße Nachführen des Minimalspannungswertes in Abhängigkeit von der Temperatur zuverlässig verhindert werden kann. Ein dritter wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Lebensdauer des Kondensators deutlich erhöht werden kann, da nämlich ein den Kondensator schädigender Betrieb in einem erhöhten Temperaturbereich durch das Nachregeln der Mindestspannung vermeidbar ist.
Ein vierter wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein vollständiges Abschalten des Kondensators - temperaturbedingt - nur sehr selten erforder- lieh ist, weil das Auftreten kritischer Temperaturen durch eine Reduktion des Betriebsbereichs des Kondensators meist schon im Vorfeld verhindert werden kann.
Wie bereits erwähnt, wird die Minimalspannung vorzugsweise umso größer gewählt, je größer der Temperaturwert ist, um den Betriebsbereich des Kondensators bei hohen Temperaturen auf einen oberen Spannungsbereich festzulegen, in dem die thermische Verluste geringer als in Betriebsbereichen mit kleiner Ausgangsspannung sind.
Das erläuterte Verfahren lässt sich beispielsweise verwenden, um Energiespeicher von Schienenfahrzeugen zu betreiben. Beispielsweise kann der Kondensator zum Zwischenspeichern von Fahrenergie eines Schienenfahrzeuges verwendet werden, wobei der Kondensator aufgeladen wird, wenn das Schienenfahrzeug abgebremst wird, indem die freiwerdende kinetische Energie des Fahrzeuges nach einer energetischen Umwandlung als elektrische Energie in den Kondensator eingespeist wird. Entspre¬ chend wird der Kondensator entladen, wenn das Schienenfahr- zeug beschleunigt werden soll, wobei die im Kondensator ge¬ speicherte Energie zum Beschleunigen des Fahrzeugs verwendet wird.
Kommt es zu einer unzulässigen Erhöhung der Temperatur des Kondensators, beispielsweise bei hohen Umgebungstemperaturen während des Sommers, so wird - wie eingangs erläutert - die aus dem Kondensator entnehmbare Leistung begrenzt, so dass die zur Verfügung stehende Leistung unter Umständen nicht mehr zum Beschleunigen des Fahrzeuges ausreicht. In diesem Falle wird die für den Beschleunigungsvorgang des Fahrzeuges erforderliche „Restenergie" vorzugsweise aus einer anderen Energiequelle entnommen, beispielsweise aus einem elektri¬ schen Fahrdraht, mit dem das Fahrzeug in Verbindung steht.
Besonders bevorzugt lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei Doppelschichtkondensatoren durchführen; Doppelschichtkon- densatoren weisen als Elektrolyt üblicherweise Acetonitril auf, dessen Siedetemperatur 810C beträgt. Ein Erwärmen des Kondensators auf Temperaturbereiche nahe der Siedetemperatur wird vorzugsweise - wie erläutert durch Erhöhen der Minimal¬ spannung - vermieden, insbesondere auch deshalb, weil bei ei- nem Betrieb derartiger Doppelschichtkondensatoren im oberen Temperaturbereich die Lebensdauer deutlich reduziert werden würde .
Erreicht die Innentemperatur des Kondensators einen für den Kondensator vorgegebenen Maximaltemperaturwert, so wird die
Minimalspannung vorzugsweise auf den Wert der Maximalspannung gesetzt, so dass eine weitere Energieentnahme aus dem Konden¬ sator verhindert wird. Der Kondensator bleibt somit in seinem aufgeladenen Zustand, so dass keine weitere Erwärmung des Kondensators auftreten kann.
Das Erhöhen der Minimalspannung in Abhängigkeit von der jeweiligen Innentemperatur des Kondensators kann vorteilhaft beispielsweise in der Art erfolgen, dass die Minimalspannung auf einen fest vorgegebenen Standardwert festgelegt wird, so¬ fern der Temperaturwert unterhalb einer vorgegebenen Normal¬ betriebstemperatur liegt. Sobald die Kondensatortemperatur die Normalbetriebstemperatur überschreitet, wird die Minimal¬ spannung gemäß einer vorgegebenen Anstiegsfunktion in Abhän- gigkeit von der jeweiligen Temperatur erhöht. Das Erhöhen der Minimalspannung in Abhängigkeit von der Innentemperatur des Kondensators kann beispielsweise linear er¬ folgen. Alternativ können auch andere Anstiegsfunktionen gewählt werden, beispielsweise kann die Minimalspannung quadra- tisch oder exponentiell in Abhängigkeit von der Innentempera¬ tur angehoben werden.
Bevorzugt wird der Standardwert für die Minimalspannung des Kondensators auf 50% des Maximalspannungswertes festgelegt. Bei einem solchen Minimalspannungswert lassen sich 75% der im Kondensator gespeicherten Energie entnehmen.
Die Innentemperatur des Kondensators kann beispielsweise un¬ mittelbar bestimmt werden, indem sie mittels eines Tempera- tursensors unmittelbar gemessen wird. Der Messsensor kann beispielsweise im Inneren des Kondensators angeordnet sein, damit er die Temperatur des Elektrolyts unmittelbar messen kann .
Alternativ kann die Innentemperatur des Kondensators auch mittelbar bestimmt werden, indem sonstige Messwerte zur Be¬ stimmung der Innentemperatur herangezogen werden. Beispielsweise kann die Innentemperatur des Kondensators mit Hilfe von Messwerten bestimmt werden, die die Umgebungstemperatur des Kondensators, den durch den Kondensator fließenden Strom, den elektrischen Innenwiderstand des Kondensators und den thermi¬ schen Widerstand des Kondensators angeben. Durch Multiplika¬ tion der Messwerte für das Quadrat des Stromes und den Innen¬ widerstand kann nämlich die Verlustleistung innerhalb des Kondensators berechnet werden. Je nach der äußeren Umgebungs¬ temperatur des Kondensators ergibt sich dann aufgrund der Verlustleistung im Inneren des Kondensators und eines geeig¬ neten Temperaturmodells (thermische Widerstände) dessen In¬ nentemperatur .
Die mittelbare Bestimmung der Innentemperatur kann beispielsweise erfolgen, indem aus einer vorgegebenen Temperaturtabel- Ie in Abhängigkeit von den Messwerten für die Umgebungstempe¬ ratur, den Kondensatorwiderstand und den Strom der jeweilige Temperaturwert ausgelesen wird; selbstverständlich können in der Tabelle die Werte für den Kondensatorinnenwiderstand und für den Strom zusammengefasst in Form eines elektrischen Leistungswertes eingetragen sein.
Alternativ kann die Bestimmung der Innentemperatur des Kondensators auch dadurch erfolgen, dass die Messwerte für die Umgebungstemperatur, den Kondensatorinnenwiderstand und den Strom in eine empirisch oder durch vorherige Simulation ermittelte mathematische Temperaturbestimmungsfunktion eingesetzt werden, mit der die Innentemperatur des Kondensators errechnet wird.
Insbesondere bei Doppelschichtkondensatoren auf der Basis von Acetonitril erhöht sich der Innenwiderstand des Kondensators in Abhängigkeit von dessen Alterungszustand stark, sodass der Kondensatorinnenwiderstand regelmäßig oder kontinuierlich ge- messen werden sollte, damit die Bestimmung der Innentempera¬ tur des Kondensators auf der Basis einer Berechnung unter Verwendung des Kondensatorinnenwiderstands möglichst genau ist. Die Messung des Kondensatorinnenwiderstands kann bei¬ spielsweise dadurch erfolgen, dass die Ausgangspannung des Kondensators sowie der durch den Kondensator fließende Strom gemessen werden und eine Quotientenbildung der entsprechenden Messwerte durchgeführt wird.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf einen Kondensa- tor, bei dem auch bei ungünstigen äußeren Randbedingungen, wie beispielsweise einer hohen Umgebungstemperatur, und/oder bei erfolgter Alterung eine optimale Ausnutzung des noch nutzbaren Energiespeicherpotenzials des Kondensators möglich ist .
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Energie¬ speicher vorgesehen, bei dem eine Steuereinrichtung vorhanden ist, die den Energieentnahmevorgang steuert, indem sie eine Energieentnahme des Kondensators nur soweit erlaubt, dass ei¬ ne vorgegebene Minimalspannung des Kondensators erhalten bleibt. Die Steuereinrichtung wählt die jeweils zulässige Mi- nimalspannung in Abhängigkeit von einem die Innentemperatur des Kondensators angebenden Temperaturwert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energiespeichers sind in Unteransprüchen angegeben.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Energiespeichers sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbei¬ spiele erläutert; dabei zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungemä- ßen Energiespeichers mit einem Kondensator sowie einer Steuereinrichtung, die den Energieentnahmevorgang aus dem Kondensator steuert und hierzu die Innentemperatur des Kondensators mittelbar bestimmt, und
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungemä- ßen Energiespeichers mit einem Kondensator sowie einer Steuereinrichtung, die die Innentemperatur des Kondensators unmittelbar bestimmt.
In den Figuren 1 und 2 werden für vergleichbare oder identische Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der Figur 1 ist ein Energiespeicher 10 dargestellt, der beispielsweise zum Zwischenspeichern von Fahrenergie eines in der Figur 1 nicht weiter dargestellten Schienenfahrzeugs verwendet werden kann. Der Energiespeicher 10 wird zum Zwischenspeichern von Fahrenergie jeweils dann aufgeladen, wenn das Fahrzeug abgebremst wird, indem die freiwerdende kinetische Energie des Fahrzeugs als elektrische Energie in den Energiespeicher 10 eingespeist wird. Wenn das Fahrzeug wieder beschleunigt, wird die zuvor in dem Energiespeicher 10 gespeicherte elektrische Energie aus diesem entnommen und zum Beschleunigen des Fahrzeuges verwendet .
Der Energiespeicher 10 weist einen Doppelschichtkondensator 20 mit einem darin enthaltenen Elektrolyt 30 auf, bei dem es sich beispielsweise um Acetonitril mit einer Siedetemperatur von 810C handelt.
Der Energiespeicher 10 ist darüber hinaus mit einer Steuereinrichtung 40 ausgestattet, die eine Schalteinrichtung 50 sowie eine Auswerteeinrichtung 60 umfasst. Die Auswerteeinrichtung 60 steht mit den beiden äußeren Anschlüssen 70 und 80 des Doppelschichtkondensators 20 in Verbindung und misst die jeweilige Ausgangspannung Ua des Doppelschichtkondensa¬ tors 20. Darüber hinaus steht die Auswerteeinrichtung 60 mit einer Strommesseinrichtung 90 in Verbindung, mit der sie den jeweiligen Ausgangsstrom Ia des Doppelschichtkondensators 20 kontinuierlich misst; das die Größe des Ausgangsstroms Ia an- gebende Messsignal ist in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen Mi gekennzeichnet.
Die Funktion der Steuereinrichtung 40 besteht darin, den Aufladevorgang und den Entladevorgang des Doppelschichtkondensa- tors 20 zu steuern:
Im Falle eines Aufladevorgangs misst die Auswerteeinrichtung 60 der Steuereinrichtung 40 kontinuierlich die Ausgangsspannung Ua des Kondensators und bricht durch ein Öffnen der Schalteinrichtung 50 den Aufladevorgang ab, sobald die Ausgangsspannung Ua eine vorgegebene Maximalspannung Umax erreicht hat. Der Kondensator ist dann vollständig aufgeladen und kann keine weitere Energie aufnehmen. Die Auswerteeinrichtung 60 kann beispielsweise durch eine Mikroprozessoranordnung mit einer Speichereinrichtung gebildet sein, in der die entsprechenden Steuerparameter und Verfahrensabläufe ab- gespeichert sind.
Zum Entladen des Doppelschichtkondensators 20 überwacht die Auswerteeinrichtung 60 sowohl die Ausgangsspannung Ua als auch den Ausgangsstrom Ia sowie mit Hilfe eines äußeren Tem- peratursensors 100 die Umgebungstemperatur Ta des Doppel¬ schichtkondensators 20. Mit Hilfe dieser Messwerte Ua, Ia und Ta ermittelt die Auswerteeinrichtung 60 die jeweilige Innen¬ temperatur Ti im Elektrolyten 30 des Doppelschichtkondensa¬ tors 20.
Die Ermittlung der Innentemperatur Ti des Kondensators 20 kann dabei dadurch erfolgen, dass die Messwerte Ua, Ia und Ta in eine in der Auswerteeinrichtung 60 fest abgespeicherte Ta¬ belle eingesetzt werden und die entsprechende Innentemperatur Ti ausgelesen wird. Die entsprechende Temperaturtabelle kann beispielsweise empirisch ermittelt worden sein, indem zuvor das thermische Verhalten des Doppelschichtkondensators 20 bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und unterschiedlichen Betriebsarten erfasst und tabellarisch abgespeichert wurde. Alternativ können die Messwerte auch in eine mathematische
Temperaturbestimmungsfunktion eingesetzt werden, die das Temperaturverhalten des Kondensators beschreibt; diese mathema¬ tische Temperaturbestimmungsfunktion kann empirisch oder durch Simulation erstellt werden. Wird der Temperatursensor 100 unmittelbar auf den Kondensator 20 aufgesetzt, so ent¬ spricht die gemessene Temperatur ungefähr - bis auf ca. 0,5 bis 1 Grad Celsius Abweichung genau - der Innentemperatur des Kondensators 20, so dass der Messwert des Kondensators 20 auch unmittelbar als Innentemperaturmesswert weiterverwendet werden kann. Sobald die Auswerteeinrichtung 60 die Innentemperatur Ti des Kondensators 20 ermittelt hat, vergleicht sie diese mit einer für den Doppelschichtkondensator fest vorgegebenen, in der Auswerteeinrichtung 60 abgespeicherten Normalbetriebstempera- tur Tnorm. Solange die Temperatur Ti, die Normalbetriebstemperatur Tnorm unterschreitet bzw. maximal so groß wie die Normalbetriebstemperatur ist, wird die für einen Entladevorgang zulässige Minimalspannung Umin auf einen Wert von UminO = 50% Umax gesetzt.
Überschreitet jedoch die Innentemperatur Ti die Normalbe¬ triebstemperatur Tnorm, so wird die Minimalspannung linear erhöht, und zwar gemäß einer vorgegebenen Rampenfunktion; die Rampenfunktion kann beispielsweise wie folgt aussehen:
Umin = (Ti - Tnorm) / (Tmax-Tnorm) * Δu + UminO,
wobei Δu die Steilheit der Rampenfunktion und Tmax die maxi¬ mal zulässige Betriebstemperatur des Kondensators bezeichnen.
Gemäß dieser Zuordnung wird somit die Minimalspannung Umin mit ansteigender Innentemperatur Ti des Kondensators erhöht, so dass die aus dem Kondensator entnehmbare Energie begrenzt wird. Sollte es zu einem weiteren Ansteigen der Temperatur, beispielsweise aufgrund einer sehr hohen Ausgangstemperatur Ta außerhalb des Kondensators 20 dazu kommen, sodass die In¬ nentemperatur Ti des Kondensators 20 eine für den Kondensator vorgegebene Maximaltemperatur Tmax erreicht oder überschrei¬ tet, so wird die Minimalspannung auf einen Wert
Umin = Umax
gesetzt, so dass aus dem Kondensator 20 keine weitere Energie mehr entnommen werden kann. Für einen stetigen Verlauf der Rampenfunktion wird Δu vorzugsweise wie folgt gewählt:
Δu = Umax - UminO Sobald Ua die jeweils zulässige Minimalspannung Umin bzw. U- min(Ti) erreicht, unterbindet die Auswerteeinrichtung 60 die weitere Energieentnahme, indem sie den Entladestrom Ia aus dem Kondensator 20 mittels der Schalteinrichtung 50 abschaltet. Damit kann über den Innenwiderstand Ri des Kondensators 20 kein weiterer Spannungsabfall auftreten und somit auch keine weitere Erwärmung des Kondensators 20 erfolgen.
In der Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Energiespeicher 10 gezeigt. Man erkennt, dass bei diesem Aus¬ führungsbeispiel der Temperatursensor 100 innerhalb des Dop¬ pelschichtkondensators 20 angeordnet ist und somit die Innen¬ temperatur Ti des Kondensators 20 unmittelbar misst. Die Steuereinrichtung 40 kann somit auf einen die Innentemperatur Ti angebenden Messwert unmittelbar zurückgreifen und muss diesen nicht mittelbar durch Auswerten der Ausgangsspannung Ua, des Ausgangsstromes Ia sowie der äußeren Temperatur Ta in der Umgebung des Kondensators 20 ermitteln.
Im Übrigen funktioniert die Steuereinrichtung 40 analog zu der Steuereinrichtung 40 gemäß Figur 1.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Kondensators (20), insbesondere als Energiespeicher für Schienenfahrzeuge, bei dem - zum Abspeichern von Energie der Kondensator (20) aufgeladen wird, und zwar maximal soweit, bis er eine vorgegebene Ma¬ ximalspannung (Umax) erreicht, und
- zur Energieentnahme der Kondensator (20) entladen wird, je¬ doch nur soweit, dass eine vorgegebene Minimalspannung (U- min) erhalten bleibt,
- wobei die Minimalspannung eine variable Größe ist, die in Abhängigkeit von einem die jeweilige Innentemperatur (Ti) des Kondensators angebenden Temperaturwert eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimalspannung umso größer gewählt wird, je grö¬ ßer der Temperaturwert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimalspannung auf den Wert der Maximalspannung gesetzt wird, wenn die Innentemperatur einen für den Kondensator vorgegebenen Maximaltemperaturwert erreicht.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Minimalspannung auf einen fest vorgegebenen Standardwert (UminO) festgelegt wird, sofern der Temperaturwert unterhalb einer vorgegebenen Normalbetriebstemperatur (Tnorm) liegt, und
- dass bei Temperaturwerten oberhalb der Normalbetriebstempe¬ ratur die Minimalspannung gemäß einer vorgegebenen Anstiegsfunktion in Abhängigkeit von dem Temperaturwert er¬ höht wird.
5 . Verfahren nach Anspruch 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s bei Temperaturwerten oberhalb der Normalbetriebstempe- ratur die Minimalspannung in Abhängigkeit von dem Temperaturwert linear ansteigend erhöht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturwerten oberhalb der Normalbetriebstempe¬ ratur die Minimalspannung in Abhängigkeit von dem Temperaturwert quadratisch ansteigend erhöht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturwerten oberhalb der Normalbetriebstempe¬ ratur die Minimalspannung in Abhängigkeit von dem Temperaturwert exponentiell ansteigend erhöht wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Standardwert der Mini¬ malspannung auf 50% des Wertes der Maximalspannung festgesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass als Kondensator ein Dop¬ pelschichtkondensator mit einem im Kondensatorinneren befindlichen Elektrolyt betrieben wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Kondensator zum Zwischenspeichern von Fahrenergie eines Schienenfahrzeugs ver¬ wendet wird, wobei bei dem Verfahren
- der Kondensator aufgeladen wird, wenn das Schienenfahrzeug abgebremst wird, indem die freiwerdende Energie in den Kon- densator eingespeist wird, und
- der Kondensator entladen wird, wenn das Schienenfahrzeug beschleunigt wird, indem die im Kondensator gespeicherte Energie zum Beschleunigen des Schienenfahrzeugs verwendet wird.
11 . Verfahren nach Anspruch 10 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s im Falle , dass die für ein Beschleunigen des Fahrzeugs erforderliche Energie nicht ausreicht - insbesonde¬ re aufgrund der Erhöhung der Minimalspannung - die fehlende Energie einer anderen Energiequelle, insbesondere einem dem Fahrzeug zugeordneten elektrischen Fahrdraht, einem Dieselmo- tor oder einer Brennstoffzelle entnommen wird.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die jeweilige Innen¬ temperatur des Kondensators angebende Temperaturwert mittel- bar bestimmt wird, und zwar durch Auswerten von Messwerten, die die Umgebungstemperatur (Ta) des Kondensators, den durch den Kondensator fließenden Strom (Ia) und den Innenwiderstand (Ri) des Kondensators angeben.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mittelbare Auswertung erfolgt, indem aus ei¬ ner vorgegebenen Temperaturtabelle in Abhängigkeit von den Messwerten für die Umgebungstemperatur (Ta) , den Kondensatorinnenwiderstand (Ri) und den Strom (Ia) der jeweilige Tempe- raturwert (Ti) ausgelesen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mittelbare Auswertung erfolgt, indem die Messwerte für die Umgebungstemperatur, den Kondensatorinnen- widerstand und den Strom in eine empirisch oder durch vorherige Simulation ermittelte mathematische Temperaturbestim¬ mungsfunktion eingesetzt werden.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Kondensatorinnenwiderstand kontinuierlich oder regelmäßig gemessen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Kondensatorinnenwiderstands durch Quotientenbildung von Messwerten erfolgt, die sich auf die Ausgangsspannung des Kondensators und den durch den Kondensator fließenden Strom beziehen.
17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die jeweilige Innen¬ temperatur (Ti) des Kondensators angebende Temperaturwert durch einen Messsensor unmittelbar gemessen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (65') im Inneren des Kondensators angeordnet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Messsensor die Temperatur des Elektro¬ lyts gemessen wird.
20. Energiespeicher (10) mit einem Kondensator (20) zum Speichern elektrischer Energie und mit einer mit dem Kondensator (20) in Verbindung stehenden Steuereinrichtung (40), die derart ausgestaltet ist, dass sie den Kondensator gemäß einem Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 19 auflädt und entlädt.
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