CN104937808A - 用于电能量存储器系统的操控设备 - Google Patents

Abstract

用于电能量存储器装置（200）的操控设备（100），具有：-控制装置（10）；-用于直流电压产生器（30）的第一接线端（11）；-用于交变电压的第二接线端（12）；-用于能量存储器装置（200）的至少两个接线端（17、18）；-接线在第一接线端（11）和第二接线端（12）之间的电压变换装置（13）；-与电压变换装置（13）的中间电路接线的充电调节装置（15）；-与充电调节装置（15）接线的转换装置（16），借助于该转换装置，充电调节装置（15）的输出端能在接线端（17、18）之间转换；以及-管理主装置（14a），借助于该管理主装置根据能量存储器装置（200）的运行数据能将用于能量存储器装置（200）的充电方法预给定到充电调节装置（15），其中转换装置（16）能相应地操控。

Description

用于电能量存储器系统的操控设备

技术领域

本发明涉及用于电能量存储器系统的操控设备。本发明还涉及用于运行电能量存储器系统的方法。

背景技术

在现有技术中已知具有直流电压产生器、例如光伏设备和耦合于其上的电化学能量存储器的组合系统。在此使用不同的系统——例如铅电池或锂离子电池——作为能量存储器系统。

DE 21 2010 000 081 U1公开了一种用于管理多个电池以及用于运行负载的模块化的电池管理系统。根据一方面，该系统包含多个电池管理控制模块；多个双向的电压变换模块，其分别与电池连接并且与电池管理控制模块连接，其中双向的电压变换模块彼此并联；以及多个能量存储器模块，其分别与双向的电压变换模块并联并且与负载连接。双向的电压变换模块被配置为将电能量从电池传输到负载或从能量存储器模块传输到电池。电池管理控制模块被构造为基于每个电池的状态信息实施预给定的程序以及控制双向的电压变换模块。还公开了电池组可以包含所有种类的电池，例如铅酸电池或锂离子电池。

存在对用于电化学电池存储器系统的可通用的操控设备的需求，所述电化学电池存储器系统与电化学电池存储器的技术无关。

发明内容

根据第一方面，本发明提供用于电能量存储器装置的操控设备，其具有：

- 控制装置；

- 用于直流电压产生器的第一接线端；

- 用于交变电压的第二接线端；

- 用于能量存储器装置的至少两个接线端；

- 接线在第一接线端和第二接线端之间的电压变换装置；

- 与电压变换装置的中间电路接线的充电调节装置；

- 与充电调节装置接线的转换装置，借助于该转换装置，充电调节装置的输出端能在所述接线端之间转换；以及

- 管理主装置，借助于该管理主装置根据能量存储器装置的运行数据可以将用于能量存储器装置的充电方法预给定到充电调节装置，其中转换装置可相应地操控。

根据第二方面，利用本发明提供用于运行具有操控设备和至少一个连接到操控设备处的能量存储器模块的电能量存储器系统的方法，该方法具有如下步骤：

- 确定能量存储器模块的运行状态；

- 将运行状态的至少一个值传送到布置在操控设备内的管理主装置；以及

- 根据能量存储器模块的技术和/或运行状态借助于管理主装置经控制地运行能量存储器模块。

所述设备和方法的优选的改进方案是从属权利要求的主题。

所述控制设备的优选实施方式的突出之处在于：借助于管理主装置可如此控制充电调节装置，使得借助于该充电调节装置可提供根据能量存储器模块的技术构造的充电方法。由此可以根据不同的电化学能量存储器的消耗状态、能量产生状态、老化状态来智能地以及节约地运行所述不同的电化学能量存储器。附加地，也可以先根据一定的运行持续时间来进行电能量存储器的选择，由此在能量存储器技术方面支持系统独立性。

根据本发明的操控设备的另一优选实施方式的突出之处在于：借助于转换装置根据能量存储器模块的电能量平衡可以在能量存储器模块之间转换。由此也支持能量存储器模块的有效的运行。

所述操控设备的另一优选实施方式的突出之处在于：借助于充电调节装置可基本上无延迟地提供用于能量存储器模块的专门的充电方法。有利地，通过这种方式，技术上不同的能量存储器模块可最优地充电。

根据本发明的操控设备的另一优选实施方式的特征在于：能量存储器模块的运行数据可借助于通信接口传输到管理主装置处。由此支持能量存储器模块和管理主装置之间的安全以及快速的运行数据传输。

根据本发明的操控设备的另一优选实施方式的特征在于：管理主装置可以处理能量存储器模块的以可机器读取的形式存放的运行数据。有利地由此为电池提供可扫描形式的运行数据，所述电池仅具有传感机构（例如温度传感器、电流传感器、电压传感器）并且不具有电子设备。有利地由此使自动化的读入成为可能并且最大程度地使运行数据的输入自动化。有利地由此实现操控设备的即时运行就绪（英文：Plug-und-Play，即插即用）。

根据本发明的操控设备的另一优选实施方式的突出之处在于：运行数据借助于编码装置存放在能量存储器模块中。这提供了使用受保护的数字信息存储的优点。

根据本发明的操控设备的另一优选实施方式的特征在于：充电方法的数据可从能量存储器模块传输到管理主装置。有利地由此可以进行电池类型的可信度检查，由此有利地提高电池安全性。

根据本发明的操控设备的优选实施方式的突出之处在于：操控装置内的管理主装置具有到电压变换装置的DC耦合或AC耦合。通过这种方式可以有利地将已经存在的直流电压产生系统简单地加装到电池存储器系统上，因为AC耦合是简单可行的。

根据本发明的方法的优选实施方式规定：执行将充电方法从能量存储器模块到管理主装置的传输。由此支持对分别连接的能量存储器模块的单独充电。

本发明的优点

本发明中视为特别有利的是：本发明使得能够使用不同的电池类型或不同的电池技术。这由此可以将管理主系统转移到操控设备中，由此可以操作所连接的能量存储器模块的不同的技术。操控设备内的管理主装置在一定程度上示出用于“智能地”处理所连接的能量存储器模块的转移的智能。由此有利地得出关于存储器容量和电池技术方面的更高的灵活性，因为根据本发明的系统可以用一个电池以及用两个相同或不同类型的电池来运行。由此可以有利地将用于给能量存储器充电的单独的充电方法用于每个连接到充电调节装置处的能量存储器。

通过两个相同或不同类型的电池之间的动态的、与电池状态相关的转换的可能性，可以节约电池地以及因此延长寿命地运行电池。

本发明的另一优点根据现有的电池类型通过电池管理系统的自动参数化或通过自动适配来得出。因此本发明决定性地有助于错误避免，因为避免了系统的人工匹配或人工参数化。

下面根据实施方式参照图阐述本发明的另外的特征和优点。在此，所有描述或示出的特征单独地或以任意组合的形式形成本发明的主题，而与这些特征在权利要求书中的组合和回引无关以及与这些特征在描述或在图中的表述或表示无关。图尤其被认为说明对本发明基本的原理并且不必理解为细节正确的电路图。在图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的元件。

附图说明

图1示出了用于铅电池的电能量存储器系统的原理框图；

图2示出了用于锂离子电池的电能量存储器系统的原理框图；

图3示出了用于锂离子电池的电池管理系统的原理图示；

图4示出了根据本发明的操控设备的第一实施方式的原理图示；

图5示出了根据本发明的操控设备的第二实施方式的原理图示；以及

图6示出了根据本发明的方法的实施方式的原理流程图。

具体实施方式

概念确定

下面将电池、能量存储器单池（Energiespeicherzelle）、能量存储器模块和能量存储器系统的概念理解为装置，借助于这些装置电能量可以电化学途径存储以及所述装置是可再充电的。由于能量存储器模块表示多个能量存储器单池的堆集，以及能量存储器系统表示多个能量存储器模块的堆集，因此针对本发明的意义在功能上以该含义理解所提到的概念。

图1示出了电能量存储器系统100的原理框图。该电能量存储器系统100具有操控设备1，该操控设备1具有用于直流电压产生器30（例如光伏设备或类似物）的第一接线端11。借助于直流电压产生器30来产生直流电压并且将其输送给操控设备1。直流电压在操控设备1内被输送给电压变换装置13，该电压变换装置包括双向的直流电压变换器13a和逆变器13b。功率测量装置24可以布置在电压变换装置13的输出端处。在电压变换装置13的直流电压中间电路中耦合了所谓的“电池线路支路”，该电池线路支路包括双向的直流电压变换器形式的充电调节装置15，传感器装置25（例如电压传感器、电流传感器）连接在该双向的直流电压变换器的输出端处。传感器装置25可以布置在操控设备1之内或之外。第一能量存储器模块40（例如铅电池）连接在操控设备1的接线端17处。第一能量存储器模块40的特征值借助于温度传感器26和传感器装置25来检测并且传输到操控设备1内的控制装置10处。

直流电压变换器13a具有将通过直流电压产生器30产生的直流电压与逆变器13b的所期望的输入电压范围相匹配的任务。附加地，直流电压变换器13a具有这样的功能，该功能负责的是：从直流电压产生器30提取的功率基本上一直是最大的。为此借助于搜索算法（“Maximum Power Point Tracking，最大功率点追踪”）来确定持续波动的、最大的功率点。

于是，逆变器13b要么负责家用耗电器（未示出）的直接供给（岛运行）要么负责将电功率馈入到电网络（未示出）中。逆变器13b必要时可以附加地从网络中获得功率以便因此给能量存储器模块40充电。

如在该图中指明的那样，部件：直流电压变换器13a、逆变器13b以及属于此的分析和控制电子设备（未示出）尤其构造在操控设备1形式的唯一的设备中。整体系统也是可能的，在所述整体系统中附加地能量存储器模块40以及可能存在的电池管理系统（如果存在）是整体系统的固定组成部分。

在此，电池管理系统的实施与所使用的电池技术、电池大小、电池的负荷以及环境条件非常相关。在最简单的情况下，例如在静态范围中的具有低负荷的较小的铅电池的情况下，不需要真正的电池管理。仅仅检测充电调节装置15的输出端处（可替代地也直接在电池处）的电压和电流以及借助于电池极处的温度传感器26来检测温度。通过这种方式，仅全局地并且不在模块层面或单池层面上监视对电压和温度极限的超出或不超出。附加地可以通过能量平衡确定电池的充电状态（英文：State of Charge, SOC）。

而在其它电池技术（例如锂离子电池）中，电池管理系统是强制必需的。所述电池管理系统根据电池的负荷提供对模块以及单池组合的监视直至单个单池监视（例如关于电压、电流、温度等）的可能性。附加地，可以在需要时实现诸如在单个单池（Einzelzelle）之间的主动的充电平衡（英文：cell balancing，单池平衡）以及必要时主动的热管理（例如主动的冷却/加温）的功能。

电能量存储器系统100的图2中示出的拓扑基本上与图1的配置相对应，具有的不同是：从现在起锂离子电池形式的可替代的第二电能量存储器模块50连接到操控设备1处。这种电池的特征是：该电池具有集成在电池内的电池管理系统14形式的管理装置。电池组由多个模块组成，所述模块又由许多单个单池组成。出于这个原因此处优选使用主-从原理。

图3极其简化地示出了这种原理，其中每个单个的单池束51具有自己的从电子设备以用于单个单池监视（例如在单池之间以电压测量、温度测量、充电平衡的形式）。所测量的值被预处理（aufbereiten）并且传输到用于监视整个能量存储器模块50的管理主装置14a。该管理主装置14a然后借助于模型和算法来确定电池的如充电状态、老化状态（英文：State of Health，健康状态，SOC）以及效能的参量。除此之外，监视温度、电压以及充/放电电流的极限值。管理主装置14a然后将数据（例如通过RS 485、CAN、以太网等）传输到上级的分析和控制单元。

图3根据主-从原理示出了电池管理系统的示意性图示，所述电池管理系统优选地用于锂离子单池束51。优选地，管理装置14的管理从装置14b的能量存储器单池52以及属于此的电子设备（未示出）形成一个完整系统，该完整系统集成在单池束51的壳体中。可以看出：管理主装置14a与单个的单池束51通过相应的管理从装置14b通信，其中管理从装置14b在其方面监视、操控或调节单个的单池束51或能量存储器模块50的单个单池52。

根据本发明从现在起规定：管理主装置14a集成到操控设备1中。

图4示出了具有根据本发明的操控设备1的第一实施例的电能量存储器系统100。原理配置与图1的配置相对应，具有的不同是：从现在起管理主装置14a与直流电压变换器13a和逆变器13b之间的直流电压中间电路电接线。充电调节装置15与管理主装置14a接线。转换装置16（例如时间多路复用器）与充电调节装置15的输出端接线，该转换装置能在操控设备1的接线端17、18之间来回切换，共同形成电能量存储器装置200的能量存储器模块40、50分别连接到所述接线端17、18处。

转换装置16要么构造为电子半导体开关（例如MOSFET）要么构造为机电的继电器。继电器在此具有这样的优点：继电器通常总归已经使用以便确保电池和系统的剩余部分之间安全地分离。通过使用该已经存在的分离开关，两个能量存储器模块40、50之间的转换有利地无附加硬件耗费地被实现。

结果通过这种方式可能的是：借助于转换装置16在两个技术上不同或者相同的能量存储器模块40、50之间转换，以便由此为能量存储器模块40、50提供尽可能最优的充电过程。优选地可能的是：在一次转换过程之后尽可能快地从之前连接的能量存储器模块40、50的充电方法转换到当前连接的能量存储器模块40、50的充电方法上，使得新连接的能量存储器模块40、50不利用之前连接的能量存储器模块40、50的充电方法来施加并且由此可能被损坏。

中央的管理主装置14a分析由能量存储器模块40、50传送的数据或传感器信号并且基于所述数据以及借助于不同的评估和调节算法基本上同步地控制充电调节装置15和转换装置16。附加地，管理主装置15a通过通信接口22（例如RS 485、CAN、以太网等）与上级的控制装置10通信。该控制装置10向管理主装置14a发送对一个或多个能量存储器模块40、50的充电或放电的请求。相反地，管理主装置14a将能量存储器模块40、50的充电或放电的可用性的状态发送到控制装置10处。

确定用于在能量存储器模块40、50之间转换的时间点以及对半导体开关或继电器的实际操控在此由管理主装置14a接管。根据通过转换装置16选择的存储器模块类型，通过管理主装置14a来动态地匹配充电调节装置15的操控。

为了可以将相同的充电调节器硬件用于不同的能量存储器模块40、50，两个能量存储器模块40、50应该遵守充电调节装置15的优选的电压和电流窗口。

在相对易于调节的电池类型（所述电池类型例如代表静态的铅电池）的情况下，对于参数化以及调节重要的数据（例如优选的充电方法、电压极限值、电流极限值和温度极限值）可以固定地存放在编码装置23上（例如RFID芯片或条形码）。这些数据于是可以由管理主装置14a读出并且因此负责整体系统的自动参数化。附加地，管理主装置14a借助于传感器装置25检测诸如电压、电流和温度的不同的测量值。通过参数化的以及所测量的值，充电调节装置15可以借助于管理主装置14a被最优地匹配到相应的能量存储器类型上。将优选的充电方法附加地传输到管理主装置14a处具有这样的优点：一方面可以检查以及核实各个能量存储器模块40、50是否是相同的类型以及另一方面可以根据所连接的能量存储器模块类型自动调整最优的充电方法。

在诸如锂离子电池的要更复杂地监视以及调节的电池类型的情况下，电池管理系统以相似的方式如已经参照图3示出的那样工作。

但是管理主装置14a现在不再是能量存储器模块50的完整的组成部分，而是管理主装置14a根据本发明从现在起被转移（auslagern）到上级的系统。此外，管理从装置14b尽管也在电压、电流、温度、充电平衡等方面监视能量存储器模块50的单个单元。但是由管理从装置14b检测的测量值、随着温度变化的极限值（电压、电流）以及优选的充电方法（例如以特征曲线的形式）现在传输到布置在操控设备1内的管理主装置14a。

结果，根据本发明的操控设备1的管理主装置14因此可以处理易于调节的电池类型（例如铅电池）的数据和测量值以及可以处理具有对监视和调节更高要求的电池类型（例如锂离子电池）的数据。

也可以设想：为了传送数据使用通过通信接口22的标准化的数据传输协议。CAN总线、I²C总线或其它合适的通信接口22考虑作为管理主装置14a和管理从装置之间的总线连接。借助于电池的数据和测量值可以通过合适的算法参照充电状态、老化状态和效能来确定相应的电池状态。管理主装置14a于是可以根据电池状态借助于转换装置16动态地在能量存储器模块40、50之间来回切换。除此之外，根据开关位置以及根据选择的能量存储器模块40、50来动态地匹配充电方法以及极限值。

图4中示出的拓扑有利地与所连接的能量存储器模块40、50的数量和技术类型无关地工作。因此在选取能量存储器模块40、50时有利地得到高度的灵活性。

作为替代也可以设想图5中示出的用于AC耦合的系统的经修改形式的拓扑。图5的拓扑与图4的拓扑的区别在于：管理主装置14a从现在起在逆变器13b之后耦合到交变电压电路处。这得到这样的优点：用于直流电压产生的已经存在的系统（例如安装在建筑物屋顶上的光伏设备）可以利用少量的附加部件加装到电能量存储器系统100。有利地，建立到AC接线端的通路比建立到直流电压变换器13a和逆变器13b之间的中间电路中的通路明显更简单。

在图5中示出的拓扑中，相对图4的拓扑仅需要一个附加的双向整流器13c，该整流器使得能够在AC侧上耦合操控设备1的电池支路。

图6示出了根据本发明方法的实施方式的流程图：

在第一步骤301中确定能量存储器模块40、50的运行状态。

在第二步骤302中执行将运行状态的至少一个值传送到布置在操控设备1内的管理主装置14a。

最后在步骤303中根据能量存储器模块40、50的技术和/或运行状态执行借助于管理主装置14a控制的能量存储器模块40、50的运行。

总之，利用本发明有利地实现了现有的直流电压系统的通用性和扩展性。有利地通过根据本发明的操控设备得到在能量存储器模块的技术选择方面的很大程度的灵活性，使得由此有利地提供在原理上耐用的以及因此经济的设备。有利地可以借助于根据本发明的操控设备节约地以及根据相应能量存储器模块的需求匹配地运行能量存储器模块。

当然可以理解，光伏设备形式的直流电压产生器仅仅应被示例性看待，使得每种直流电压产生器（例如燃料单池）都可以连接到根据本发明的操控设备处。还可以设想例如在汽车领域中使用该操控设备。

有利地，本发明的实现大部分可以用软件来执行，其中软件可以容易地在电子控制装置中加载（einspielen）以及改动。

尽管根据优选的实施例描述了本发明，但是本发明不受限于此。因此，专业人士可以在不离开本发明的核心的情况下改动或相互组合本发明的所描述的特征。

Claims (13)

1.用于电能量存储器装置（200）的操控设备（100），具有：

- 控制装置（10）；

- 用于直流电压产生器（30）的第一接线端（11）；

- 用于交变电压的第二接线端（12）；

- 用于能量存储器装置（200）的至少两个接线端（17、18）；

- 接线在第一接线端（11）和第二接线端（12）之间的电压变换装置（13）；

- 与电压变换装置（13）的中间电路接线的充电调节装置（15）；

- 与充电调节装置（15）接线的转换装置（16），借助于该转换装置，充电调节装置（15）的输出端能在接线端（17、18）之间转换；以及

- 管理主装置（14a），借助于该管理主装置根据能量存储器装置（200）的运行数据能将用于能量存储器装置（200）的充电方法预给定到充电调节装置（15），其中转换装置（16）能相应地操控。

2.根据权利要求1所述的操控设备，其特征在于，借助于管理主装置（14a）能如此控制充电调节装置（15），使得借助于该充电调节装置（15）能提供根据能量存储器装置（200）的能量存储器模块（40、50）的技术所构造的充电方法。

3.根据权利要求1或2所述的操控设备，其特征在于，借助于转换装置（16）根据能量存储器模块（40、50）的电能量平衡能够在能量存储器模块（40、50）之间进行转换。

4.根据前述权利要求之一所述的操控设备，其特征在于，借助于充电调节装置（15）能基本上无延迟地为能量存储器模块（40、50）提供专门的充电方法。

5.根据前述权利要求之一所述的操控设备，其特征在于，能量存储器模块（40、50）的运行数据能借助于通信接口（22）传输到管理主装置（14a）。

6.根据权利要求1至5之一所述的操控设备，其特征在于，管理主装置（14a）能够处理能量存储器模块（40）的以能机器读取形式存放的运行数据。

7.根据权利要求6所述的操控设备，其特征在于，运行数据借助于编码装置（23）存放在能量存储器模块（40）中。

8.根据权利要求7所述的操控设备，其特征在于，充电方法的数据能够从能量存储器模块（40、50）传输到管理主装置（14a）。

9.根据前述权利要求之一所述的操控设备，其特征在于，操控设备（1）内的管理主装置（14a）具有到电压变换装置（13）的DC耦合或AC耦合。

10.用于运行具有操控设备（1）以及至少一个连接到操控设备（1）处的能量存储器模块（40、50）的电能量存储器系统（100）的方法，该方法具有如下步骤：

- 确定能量存储器模块（40、50）的运行状态；

- 将运行状态的至少一个值传送到布置在操控设备（1）内的管理主装置（14a）处；以及

- 根据能量存储器模块（40、50）的技术和/或运行状态借助于管理主装置（14a）经控制地运行能量存储器模块（40、50）。

11.根据权利要求10所述的方法，此外具有步骤：

- 将能量存储器模块（40、50）的充电方法传输到管理主装置（14a）处。

12.将根据权利要求1至9之一所述的操控设备（1）用于运行能量存储器装置（200）的至少一个能量存储器模块（40、50）的应用。

13.计算机程序产品，其具有在该计算机程序产品在电子控制装置（10）上运行或存储在可计算机读取的数据载体上时执行根据权利要求10或11所述的方法的程序代码装置。