CN107171377A - 用于电池单元的中间存储设施 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电池单元(3)的中间存储设施，该中间存储设施具有多个电池单元(3)、具有一个逆变器和/或整流器(11)、一个供电系统(14)以及一个控制器(2)，其中每个电池单元(3)具有至少一个可充电电池电芯(31)和用于监测和调节该电池电芯(31)的一个电池管理系统(32)，至少两个电池单元(3)被串联地电连接以形成一个电池链(6)，该电池链(6)经由该逆变器和/或整流器(11)电连接到该供电系统(14)，并且该控制器(2)具有到所有这些电池管理系统(32)的通信连接并且被配置成用来自该供电系统(14)的电能产生对该电池电芯(31)的充电、通过使该电池电芯(31)放电来将电能供给到该供电系统(14)中、和/或使该电池单元(3)连接到该逆变器和/或整流器(11)和/或从其解除连接。

Description

用于电池单元的中间存储设施
技术领域
本发明涉及用于电池单元的中间存储设施，该中间存储设施具有多个电池单元、具有一个逆变器和/或整流器、一个供电系统以及一个控制器，其中每个电池单元具有至少一个可充电电池电芯和用于监测和调节该电池电芯的一个电池管理系统，并且这些电池单元经由该逆变器和/或整流器电连接到该供电系统。
背景技术
作为数量不断增加的电动车辆或混合动力车辆和其他牵引应用的结果，电池单元越来越需要具有锂离子电芯等的高电压电池系统。除了能量存储电池电芯之外，这样的电池单元具有可以就电量状态、电芯电压、温度等而言来监测和调节电池电芯的电池管理系统。为了优化昂贵的电池单元的使用寿命，连续放电和充电是必要的。
这种也被称为循环的过程对电池单元的制造商造成高的运行费用，因为一方面是存储在备用部件存储设施中的电池单元以及另一方面是存储在中间存储设施中并且为即将安装在电动车辆中提供的电池单元必须被连续地循环，这涉及相当大的费用。从现有技术中已知的用于循环的系统的区别之处在于高的电性能损失以及与必要的逆变器和/或整流器以及复杂的存储物流相关联的成本。
发明内容
以这种情形为出发点，本发明的目的是指定一种中间存储设施，利用该设施能够以特别简单和成本有效的方式实现电池单元的循环。
本发明的目的是通过这些独立权利要求的特征来实现的。多项有利优化是由从属权利要求的特征提供的。
相应地，本目的是通过用于电池单元的中间存储设施来实现的，该中间存储设施具有多个电池单元、具有一个逆变器和/或整流器、一个供电系统以及一个控制器，其中每个电池单元具有至少一个可充电电池电芯和用于监测和调节该电池电芯的一个电池管理系统，至少两个电池单元被串联地电连接以形成一个电池链，该电池链经由该逆变器和/或整流器电连接到该供电系统，并且该控制器具有到所有这些电池管理系统的通信连接并且被配置成用来自该供电系统的电能产生对该电池电芯和/或该电池单元的充电、通过使该电池电芯和/或该电池单元放电来将电能供给到该供电系统中、和/或使该电池单元连接到该逆变器和/或整流器和/或从其解除连接。
本发明的本质方面是，将这些电池单元串联地电连接在一个电池链中。与单个电池单元或多个电池单元的并联连接相比，在电池侧实现了逆变器和/或整流器处的更高的电压，这使得在一方面可以使用多个更成本有效的逆变器和/或整流器，并且在另一方面可以使用多个具有明显更低电气传输损耗的逆变器和/或整流器。除此之外，由于电池侧的相对较高的电压，在电池电芯或电池单元的放电或充电过程中供电系统的性能系统波动可以被明显更有效地补偿。作为以电池链安排电池电芯或电池单元的结果，还可以在该中间存储设施中明显更容易地更换电池电芯或电池单元或所有电池电芯或所有电池单元。最后，由于仅使用单个逆变器和/或整流器而不是分开地给每个电池单元指配逆变器和/或整流器，所提出的安排的区别之处在于明显更低的制造成本。
基本上，可以使用特别地被配置用于电动车辆或混合动力车辆或其他牵引应用中的、并且优选地作为具有锂离子电芯等的高压系统的任何电池单元。该可充电电池电芯优选地被实施为具有次级电芯的蓄电池电芯，其中更优选地提供串联和/或并联地电连接的多个次级电芯。该电池管理系统优选地包括电量状态检测装置、数据接口、和/或用于对该电池电芯或电池单元进行充电或放电以便检测和调节该电池电芯或电池单元的电子性能器件。可替代地或另外，该逆变器和/或整流器包括用于该电池电芯或电池单元的充电或放电的电子性能器件。该供电系统优选地被配置为公共电力网系统(Leitungsnetz)，并且可由供电公司提供。该控制器优选地是基于计算机的，并且具有用于连接到该电池管理系统的数据接口以便交换数据和对该电池管理系统加以控制的接口。
作为所提出的安排的结果，可以有利地减少在电池单元的制造过程中的能量消耗。在示例性应用中，在中间存储设施中以低的电量状态使得已经制造和/或指配用于安装在电动车辆中的多个电池单元可供使用，并且以有利的能量价格整晚充电或者当供电系统中存在过量的能量时(例如当存在强风并且因此能量价格有利时)经济地再充电。当这些电池单元放电时，电能可以用于制造电池单元或者可以供给到该供电系统中。此外，可以使用诸如热电联产性能单元、光伏元件和/或风能的另外的能量发生器来给这些电池单元充电和/或加热该中间存储设施。在另一示例性应用中，通过该控制器，可以将第一电池链作为电能发生器指配给第一性能系统侧消耗装置，并且可以将第二电池链作为电能消耗装置指配给第一性能系统侧发生器。为此目的，可以在该控制器处执行根据预定标准(诸如电量状态等)控制这些电池链的充电或放电的控制方法。
其结果是，借助于所提出的安排，可以通过从该中间存储设施中移除这些电池单元来确保这些电池单元同时可供使用，电池单元可以被放置在该中间存储设施中并且在那里给定预定电量状态，可以使得电能可用于这些电池单元的制造，使得性能系统操作者可使用调节能量和调节性能来补偿该供电系统的性能系统波动，并且在通过热电联产性能单元等的电池链的充电过程中，还可以额外地协调热量，其方式为使得与从现有技术已知的改进相比能量消耗和操作成本明显更低。此外，通过将该中间存储设施连接到该供电系统，可以从主要控制性能的提供获得货币收益。此外，这些电池单元的诸如进货检查或出货检查、维护和测试可能性的功能可以通过这些电池单元在该中间存储设施中的电气使用来容易地集成。
根据一项优选发展，提供了多个电池链，该多个电池链被对应地连接到该逆变器和/或整流器并且彼此并联地电连接。优选地，在每个电池链中提供相同的大量电池单元。这些电池链可以优选地通过该控制器单独地连接到该逆变器和/或整流器。还优选地提供了触及锁和/或锁定装置以便保护电池单元免于计划外的移除，或在充电过程中移除。该触及锁和/或锁定装置可以优选地由该控制器加以控制。
根据另一项优选发展，提供了多个逆变器和/或整流器，并且在各自情况下电池链经由对应的逆变器和/或整流器电连接到性能系统端子。在此优化中，每个电池链都指配有单独的逆变器和/或整流器，但是每个逆变器和/或整流器进而可以与多个并联的电池链发生电接触。例如，可以提供两个逆变器和/或整流器，它们与该中间存储设施的每一侧上的两个电池链进行电接触。
基本上，可以借助于该控制器实施用于对这些电池单元进行充电或放电的多种不同方法。然而，根据一项特别优选的优化，该控制器被设计成选定一个电池链以使得所选定的电池链在一个时间周期内和/或直到使其可用时都用来自该供电系统的电能来充电、或者将电能供给到该供电系统中。通过这样的选择性充电和放电，例如可以实施针对制造这些电池单元的能量负载管理系统，或者性能系统操作者可以协助执行该供电系统中的供电波动的有计划均衡。
还存在适合于该控制器和这些电池管理系统之间的通信的多种不同可能性。现场总线已经证明是特别有利的，该控制器通过该现场总线连接到这些电池管理系统和/或该逆变器和/或整流器。优选地将用于该现场总线的接口提供在该电池单元处，并且这些电池管理系统配置有用于经由该现场总线进行通信的通信单元。通过提供现场总线，就能够以特别简单的方式在充电、放电、解除连接和/或连接方面控制这些电池单元。
根据一项优选发展，3个、4个、5个、8个、10个、或12个电池单元被串联地电连接在该电池链中，每个电池单元具有≥250V且≤1kV的、特别是360V、400V、600V或700V的额定电压，和/或该逆变器和/或整流器在该电池链侧具有≥1kV且≤5kV的、特别是≥2kV且≤3kV的额定电压，和/或在性能系统侧具有≥10kV且≤30kV的额定电压。本领域技术人员将从这些值中选择合适的组合。例如，在各自情况下，如果12个在各自情况下具有250V额定电压的电池单元被对应地串联连接在两个并联的电池链中，逆变器和/或整流器处电池链侧或电池侧的应存在3kV的额定电压。
在一项特别优选的优化中，该中间存储设施具有一个搁架系统，该搁架系统具有至少两个搁架，其中提供了至少两个电池链和一个装载装置，每个电池链被安排在对应的搁架上，并且该装载装置被配置成自动地将该电池单元插入到该搁架中、或从其中移除所述电池单元，并且配置成将该电池单元与该电池链解除电连接或电连接上和/或将所述电池单元锁定到该搁架上。该装载装置优选地被实施为装载机器人和/或可由该控制器加以控制。这些搁架优选地是彼此相对地安排的，其结果是该装载装置可以将电池单元插入到这些搁架中、从这些搁架移除和/或进行更换。多个搁架还优选地提供成时彼此上下安排的，和/或这些搁架的尺寸是以以下方式确定的和/或是以以下数字提供的，即使得≥100个、≥200个和/或≤500个电池单元可以存储在这些搁架中间。
在此背景下，特别优选的是该中间存储设施具有用于执行该电池单元的输入控制、输出控制和/或下线(end-of-l ine)测试的一个装置。该装载装置优选地被设计成执行输入控制、输出控制和/或下线测试，并且将其结果传送到该控制器。
另外，本发明的目的是通过一种用于在如上所述的中间存储设施中存储电池单元的方法来实现的，该方法具有以下步骤：
最迟在21天(优选是14天)之后并且最迟在每个电池链的能量通量≤3000kWh(优选是≤2000kWh)之后更换该电池链的所有这些电池单元，
在电力成本有利的时间期间对该电池单元进行充电，和/或
对该电池单元进行充电和/或放电以便补偿该供电系统的性能系统波动。
该方法有利地实现了的是根据第一替代方案的这些电池单元仅在有限的存储周期内并且仅以有限的能量通量保留在该中间存储设施中。根据第二替代方案，用于充电的能量成本可以通过以下事实来优化：这些电池单元优选地仅在有利的能量成本的时间(例如在晚上)充电。在第三替代方案中，性能系统波动被补偿，其结果是改善了该供电系统的电压的质量，特别是改善了电压、频率、曲线形状的水平和/或减少了干扰。直到更换每个电池链的电池单元的时间被有利地定义为该中间存储设施的存储容量的函数，特别是定义为每天所需的电池单元的函数。能量通量还有利地被确定为这些电池单元的含能量的函数，该含能量例如可以是20至40kWh。
附图说明
以下将参考附图对本发明进行详细地解释，在附图中：
图1示出了根据本发明的优选示例性实施例的中间存储设施的示意性图示，并且
图2示出了与中间存储设施的设备相关的流程图。
具体实施方式
图1示出了中间存储设施1(也称为电池产品仓库)的示意图，其具有中央控制器2和多个电池链6，该电池链具有整流器和/或逆变器11和多个电池单元3，接口9和10用于连接这些电池单元3。
这些电池单元3各自具有电池电芯31和电池管理系统32。在图1中，在各自情况下，三个电池单元3经由能量传输接口9和能量传输线路4串联地电连接以形成电池链6。两个电池链6的传输线路4连接到逆变器和/或整流器11，该逆变器和/或整流器进而通过图1中所指示的另外的能量传输线路连接到供电系统14。
每个电池单元3还具有信号接口10，电池管理系统32通过该信号接口经由现场总线5连接到控制器2，如图1所指示性展示的。可以使用电池管理系统32例如借助于电流传感器、电压传感器或温度传感器来确定对应电池单元3的内部运行状态，以便向控制器2传输关于对应电池电芯31的电量状态的信息、对应电池单元3针对在中间存储设施1中的电池单元3的存储位置的标识符、或关于已经发生的故障的故障信息。可替代地，代替现场总线连接5，可以提供从每个电池单元3到中央控制器2的无线电链路，以便传输相应的信息并将其集中在中央控制器2中。
图1中展示了总共6个对应地用于容纳电池单元3的搁架位置36。为了演示该功能方法，图1左侧所示的电池链6的电池单元3被插入到这些搁架位置36中，但这些电池单元3的能量传输接口9和信号接口10还未电连接到左侧电池链6的相应的能量传输接口9和信号接口10。在图1的底部示出的右侧电池链6的搁架位置36中，电池单元3的能量传输接口9和信号接口10连接到电池链6。在图1中顶部示出的搁架架位置36中，电池单元3通过装载装置15插入，该装载装置将在下面进行更详细地描述。
中央控制器2具有用于接收和/或输出信息的外部通信接口(未示出)，该通信接口例如连接到供电系统14的性能系统操作者的中央控制站。该外部通信接口可以是有线(wire-bound)性能系统连接、无线电链路和/或现场总线连接。可以经由该通信接口传输来自生产设施的对于电池单元3的负载要求和需求数字、以及来自性能系统操作者的控制站的控制性能要求和当前电价。此外，中央控制器2还可以接收并存储所连接的电池链6的性能和能量预测。控制器2主要被设计为控制电池链6的逆变器和/或整流器11两端的电流。要由控制器2调整的电流可以根据负载曲线或者通过电价信息来选择和中断。
逆变器和/或整流器11具有双向设计，其结果是，在一方面，电能可以从供电系统14经由性能系统传输端子22、另一传输线路、经由联接元件18、保险装置25以及能量传输线路4传输到所连接的电池单元3，以便对该电池单元进行充电，并且在另一方面，电能可以以相反的方向从这些电池单元3传输回到供电系统14中。中央控制器2还具有经由通信接口连接到现场总线5的微处理器。该控制单元用于监测经由这些逆变器/或整流器11和电池接口9来自和去到每个电池链6的能量流，并且根据存储和能量提供功能以实现负载优化的方式控制这些逆变器和/或整流器11。
中央控制器2还可以检测逆变器和/或整流器11的个体状态，并且检测这些个体电池链6中的负载、过载和故障的差异。如果这些电池链6和电池单元3的负载太大，则中央控制器2可以决定经由现场总线连接通过相应的指令对这些电池链6的负载进行补偿。
该控制单元还提供有计划功能，这允许将这些电池链6的可用时间定义为所连接的电池链6的瞬时电量状态、电池单元3已在电池链6中的时间、所汲取电流和负载请求的函数。为此，关于每个电池链6的所使用电池单元3的使用曲线、序列号和电池链从属关系、存储位置以及电量状态的信息可用于控制单元并且存储在该控制单元中。通过此信息，电池链6及其电池单元3可以尽可能长地可供使用来优化能量负载。以类似的方式，如果已知具有多个电池单元3的特定电池链6不再需要负载优化，则可以经由中央控制器2使信息对于生产设施可用，从而使得可以拾取相应的电池单元3来用于生产设施或用于交付并替换以新的电池单元3。
参考图2中的流程图，将在下面更详细地描述中间存储设施1的功能。中间存储设施1被实施为搁架系统，该搁架系统具有用于多个电池单元3的插入件和用于这些电池单元3的串联连接以形成电池链6和连接到供电系统14的多个能量传输接口9和22并且具有多个逆变器和/或整流器11。
这些电池单元3的连接可以手动地以及通过装载装置15以自动化或部分自动化的方式进行，其结果是当这些电池单元3被插入到相应的搁架位置36中时，自动地进行连接9和10。以此方式，中间存储设施1不仅可以以触及高或梯高来操作，而且可以以高架存储安排来操作。在第一步骤中，询问安全装置(例如锁、触及锁)、这些电池链6和逆变器和/或整流器11的状态。然后，来自未使用和释放的电池链6以及其中所含有的电池单元3的信息经由该通信接口和现场总线5被传达到生产设施。控制器2通过在用户接口(未示出)处的或经由外部通信接口和现场总线5的输入来从该生产设施或性能系统操作者接收关于所需能量和性能的需求信息和用于该生产设施的电池单元3的所需数量。
该需求信息本质上指示该生产设施或性能系统操作者需要什么性能和能量、以及在该生产设施中什么时间需要多少电池单元3。该控制单元根据所连接的电池链6的数量、这些逆变器和/或整流器11的性能能力以及电池链6中所连接的电池单元3的性能信息和电量状态来确定可用的和可传输的性能和能量数量。此外，控制器2将可用性能和能量以及所释放的电池单元3和自由位置36的数量与该生产设施和性能系统操作者的要求以及与用于这些电池单元3的充电的电力价格进行比较。
在下一步骤中根据该需求信息来相应地选定可以在由该需求信息指定的时间内经由逆变器和/或整流器11连接至供电系统14的所需电池链6从而可以满足性能和能量需求。另外所需的电池链6被连接，并且不需要的电池链6被解除连接并且释放。有待根据该需求信息而使得可用的电池单元3是根据这些电池单元的序列号、存储日期和由于使用而老化来选择和释放的。所述选择优先根据存储时期、老化和使用曲线以及最低的电量状态来进行。根据先前描述的这些参数和值计算电池链6的顺序和因此最早的提供时期。
对于所连接和选择的其他电池链6而言，根据需求要求使得能量和性能可供使用并且被供给到供电系统14。由于短的储存时间，不需要有利于使用寿命的充电和储存，因为电池单元3被以新的电池单元来连续地更换并且在正在进行的生产过程中不会被长时间储存或使用。在最后的步骤中，系统等待新的需求信息，或者从负载分布的历史、特别是生产设施的负载分布的历史中自动地考虑新的需求信息并将其存储在控制器中。如果新的需求信息是可用的，则情况是-可替代地：是，系统跳回到电池链的状态的询问的步骤。
附图标记列表
1 中间存储设施
2 中央控制器
3 电池单元
4 能量传输线路
5 现场总线
6 电池链
9 能量传输接口
10 具有接口的通信单元
11 逆变器或整流器
14 供电系统
15 装载装置
18 联接元件
25 保险装置
31 电池电芯
32 电池管理系统
36 搁架位置

Claims (9)

1.用于在中间存储设施(1)中存储电池单元(3)的方法，该中间存储设施具有多个电池单元(3)、具有一个逆变器和/或整流器(11)、一个供电系统(14)以及一个控制器(2)，其中
每个电池单元(3)具有至少一个可充电电池电芯(31)和用于监测和调节该电池电芯(31)的一个电池管理系统(32)，
至少两个电池单元(3)被串联地电连接以形成一个电池链(6)，
该电池链(6)经由该逆变器和/或整流器(11)电连接到该供电系统(14)，并且
该控制器(2)具有到所有这些电池管理系统(32)的通信连接并且被配置成用来自该供电系统(14)的电能产生对该电池电芯(31)和/或该电池单元(3)的充电、通过使该电池电芯(31)和/或该电池单元(3)放电来将电能供给到该供电系统(14)中、和/或使该电池单元(3)连接到该逆变器和/或整流器(11)和/或从其解除连接，并且该方法包括以下步骤：
最迟在14天之后并且最迟在每个电池链(6)的能量通量≤3000kWh之后更换该电池链的所有这些电池单元(3)。
2.根据权利要求1所述的方法，具有多个电池链(6)，该多个电池链被对应地连接到该逆变器和/或整流器(11)并且彼此并联地电连接。
3.根据权利要求2所述的方法，具有多个逆变器和/或整流器(11)，并且每个逆变器和/或整流器具有一个电池链(6)，该电池链经由对应的逆变器和整流器(11)电连接到性能系统端子(14)。
4.根据权利要求2所述的方法，其中该控制器(2)被设计成选定一个电池链(6)以使得所选定的电池链在一个时间周期内和/或直到使其可用时都用来自该供电系统(14)的电能来充电、或者将电能供给到该供电系统(14)中。
5.根据权利要求1所述的方法，具有一个现场总线(5)，该控制器(2)通过该现场总线连接到这些电池管理系统(32)和/或该逆变器和/或整流器(11)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中3个、4个、5个、8个、或10个电池单元(3)被串联地电连接在该电池链(6)中，每个电池单元(3)具有≥250V且≤1kV的、特别是360V、400V、600V或700V的额定电压，和/或该逆变器和/或整流器(11)在该电池链侧具有≥1kV且≤5kV的、特别是≥2kV且≤3kV的额定电压，和/或在性能系统侧具有≥10kV且≤30kV的额定电压。
7.根据权利要求1所述的方法，具有包括至少两个搁架的一个搁架系统、至少两个电池链(6)以及一个装载装置(15)，其中每个电池链(6)被安排在对应的搁架上，并且该装载装置(15)被配置成自动地将该电池单元(3)插入到该搁架中、或从其中移除所述电池单元(3)，并且配置成将该电池单元(3)与该电池链(6)解除电连接或电连接上和/或将所述电池单元(3)锁定到该搁架。
8.根据权利要求7所述的方法，包括被配置来执行该电池单元(3)的输入控制、输出控制和/或线路末端测试的一个装置。
9.根据以上权利要求之一所述的方法，具有以下步骤：
最迟在每个电池链(6)的能量通量≤2000kWh之后更换该电池链的所有这些电池单元(3)，
在电力成本有利的时间期间对该电池单元(3)进行充电，和/或
对该电池单元(3)进行充电和/或放电以便补偿该供电系统(14)的性能系统波动。
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