CN110999010A - 包括多个能更换的使用单元的电气供能设备及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电气供能设备(10)，其包括多个使用单元(12)，其中每个使用单元(12)设置用于产生或暂存电能。本发明设置，在供能设备(10)中将使用单元(12)分配到支路(11)，且每个支路(11)设置成，借助于使用单元(12)的串联电路(13)产生总电压(U)，且每个支路端部(11’)经由相应的开关单元(15)与汇流排装置(18)连接，且在每个支路(11)内为每个使用单元(12)设有桥接电路(N11)，且控制装置(19)设置成，识别在支路(11)中之一中的有故障的使用单元(12)，且随后将支路(11)借助于其开关单元(15)与汇流排装置(18)电分离，且通过借助于其桥接电路(N11)电气分离支路(11)的使用单元(12)减小支路(11)的总电压(U)。

Description

包括多个能更换的使用单元的电气供能设备及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种包括多个使用单元的供能设备。供能设备例如可以设计为静态电池蓄能器或用于电动车的车辆用电池。使用单元那么例如是供能设备的电池单体模块。一般地，每个使用单元设置用于产生或暂存电能。
背景技术
这种类型的供能设备例如由文献US 7,087,327 B2已知。其中记载如下：供能设备可以具有由燃料电池堆组成的串联电路，燃料电池堆可以总地提供用于连接到供能设备上的设备的电压。每个燃料电池堆可以在串联电路中单个地通过二极管桥接，从而该燃料电池堆在故障时不阻碍或关闭整个供能设备。在串联电路中存在替代燃料电池堆，以便在一个燃料电池堆故障的情况下也还可以提供电压。替代燃料电池堆如此长地保持未使用，直至由于另一燃料电池堆故障并需要该替代燃料电池堆。如果所有替代燃料电池堆在使用中，那么在燃料电池堆继续故障的情况下供能设备就总体上停止运转。
包括多个以蓄能器元件形式的使用单元的另一供能设备由文献US2006/0092583A1已知。各个蓄能器元件同样可借助于多个开关组合为不同的开关情况。没有规定在各个蓄能器元件之间的电分离。
发明内容
本发明的任务在于，在单个使用单元或多个使用单元故障时，使电气供能设备以小的停机时间又可投入使用。
该任务通过独立权利要求的主题解决。本发明有利的改进通过从属权利要求、以下说明以及附图描述。
本发明基于包括多个使用单元的、开始所述类型的电气供能设备。每个使用单元以所述方式设置成用于产生或暂存电能。在按照本发明的供能设备中，该供能设备以完全确定的方式设置。在供能设备中，将使用单元分配到支路，且在每个支路中其使用单元连接成串联电路。每个支路可以借助于其使用单元的串联电路产生总电压，该总电压可以位于在8V至60的范围中或者可以大于60V。
每个支路端部经由相应的可电分离的开关单元与供能设备的汇流排装置电连接。开关单元例如可以基于至少一个机械开关形成，例如接触器。在每个支路内，为每个使用单元设有桥接电路。因此，每个使用单元可单个地在串联电路中被桥接，从而该使用单元不再贡献于支路的总电压且串联电路的电流也被引导通过桥接电路。
供能设备的控制装置设置成，在供能设备的运行中识别支路之一中有故障的使用单元。有故障的使用单元的识别可借助于本身由现有技术已知的方法实现。例如，可以将由使用单元产生的电压与阈值比较，在低于该阈值时将使用单元分类为故障的。控制装置此外可以设置成，在识别到有故障的使用单元的情况下将该支路借助于其电分离的开关单元与汇流排装置电分离。但是，现在支路的串联电路总是还位于在总电压下。此外，控制装置因此设置成，减小支路的总电压，其方法是借助于其桥接电路使支路的使用单元电气分离，从而仅仅还存在使用单元的单电压而不是总电压。
因此，那么在支路中其使用单元仅仅还以单电压存在，该单电压可以位于在1伏特至25伏特的范围中。为了可以更换和/或维修一个使用单元，那么不必关断整个供能设备。在连续运行中可以实现使用单元的更换。为此，可以将涉及的支路与汇流排装置电分离(借助于机械开关单元)且接着将该支路切换到无总电压，其方法是将各使用单元(借助于其桥接电路)相互分离。在分离的支路中最大出现的电压那么相应于每个供能单元的单电压。单电压特别是无危险的，因为其小于总电压。有故障的使用单元那么可以被从支路拆卸或取出，而至少另一支路还在汇流排装置中产生总电压，且因此供能设备的运行可无中断地继续。在运行中的更换也称为热插拔原理或热调换原理(https://de.wikipedia.org/wiki/Hot_Swapping)。在单个构件失效时能防止供能设备的全部失效。通过可电分离性可以隔离故障的构件。
本发明也包括有利的改进，通过其特征产生附加的优点。
供能设备的结构方式是非常灵活的。每个使用单元可以各自包括至少一个电池单体、特别是电池单体模块或由多个(例如并联连接的)电池单体模块组成的组合。使用单元可以各自包括至少一个燃料电池和/或至少一个太阳能电池板和/或至少一个电容器和/或发电机。优选地，在每个支路中在彼处串联连接的使用单元在技术上是一致的，亦即例如仅仅通过电池单体模块形成。
为了将支路端部与汇流排装置电气分离，每个开关单元可以具有至少一个开/关(ON/OFF)类型的接触器或选择开关类型的接触器。每个开关单元可以引起一方面在汇流排装置的汇流排与另一方面支路的支路端部之间的电气分离。如果每个支路端部设有多个汇流排，那么可以借助于多个ON/OFF类型的接触器或利用选择开关类型的接触器(1对N多路复用器)在汇流排之间切换，从而支路的总电压交替地在施加于汇流排中的不同汇流排上。
现在，如果在电气分离一个支路和减小总电压之后拆卸一个使用单元，那么可以安装新的使用单元。在此，控制装置对于该改进设置成，在供能设备的运行中在更换有故障的使用单元之后通过新的使用单元将该新的使用单元与支路的其余使用单元电联接。为此，新的使用单元可以借助于其桥接电路又与其余使用单元串联连接，从而其单电压贡献于总电压。因此可以在没有供能中断或供能设备与连接的设备进行的能量交换中断的情况下通过新的使用单元代替有故障的使用单元。
为了识别有故障的使用单元，一种改进规定，在各支路中为每个使用单元分别提供诊断单元，用于检测相应的使用单元的预定的电气特征参量的当前状态值。这样的特征参量的示例是使用单元的阻抗。供能设备的控制装置设置成，经由供能设备的通信装置接收各一个支路的所有使用单元的状态值，且根据其状态值识别出有故障的使用单元。适合的通信装置例如可以是数据网络或数据总线。数据总线的示例是CAN总线(CAN–控制器局域网络)。在阻抗的情况下，假如一个使用单元的状态值或其阻抗大于阈值，那么该使用单元可被分类为故障的。术语“阻抗”结合本发明表示在预定频率例如0赫兹下的阻抗值或者关于频率f的阻抗曲线。多个频率可以在带有逐步的提高或减小的频率扫描中被检测。对此备选地，同时可以设有在多频率情况下的多频激励。多频激励例如可以设计为多正弦激励或矩形信号或跃变信号。
供能设备也可以具有用于连接供电电网(例如50赫兹三相供电电网)或另一交流电源的输入连接端。在该改进中，供能设备具有与汇流排装置连接的、用于与公共供电电网或交流电源交换电能的交流/直流转换器装置。而且在此如果发生失效，那么供能设备的运行应继续。交流/直流转换器装置为此具有多个交流/直流转换器，其中的每个交流/直流转换器通过本身的隔离开关一方面与用于供电电网的电网连接端或输入连接端联接而另一方面与汇流排装置联接。如果现在一个交流-直流转换器由于有故障而停止运转，那么可以借助于另一交流-直流转换器继续给汇流排装置供以来自供电电网或交流电源的电能。控制装置在此设置成，在供能设备的运行中(亦即没有运行中断地)识别有故障的交流/直流转换器，且将有故障的交流/直流转换器通过关断其隔离开关电隔离。用于识别有故障的交流-直流转换器的诊断机构可由现有技术得知。那么在此涉及交流-直流转换器的自监控，如其本身是已知的。如果现在故障的交流-直流转换器通过关断其隔离开关是电隔离的，那么也可以将其更换。由此那么可以在供能设备的运行中电隔离和更换这样的故障的交流/直流转换器，而无需关断剩余的供能设备。
如上所述，汇流排装置可以具有多个汇流排。在此表示：每个极(正极和负极)各自存在多个汇流排。在每个支路的支路端部上的所述开关单元在该改进中设置成，根据控制装置的切换信号在汇流排之间进行切换。因此，可以利用一个支路给不同设备供电，这些装置可连接到各自其他的汇流排对上。在此，随后也提供在各电路之间的电分离，各电路通过不同设备、汇流排和相应支路形成。可电分离性因此提供如下优点，即相互无关的、亦即电分离的电流路径是可提供的，且因此同时不同支路的充电和放电是可能的。
为了可以将从支路流入汇流排装置的电流关于其电流强度进行调节或调整，优选地设置，在支路中分别将使用单元的串联电路经由直流电压转换器与支路端部中之一联接。一般地，直流电压转换器可以是升压转换器或降压转换器或逆变转换器。作为直流电压转换器优选地应用降压转换器。
通过按照本发明的供能设备的运行产生按照本发明的方法。该方法基于包括多个使用单元的供能设备，各使用单元设置用于产生或暂存电能。每个使用单元在此产生直流电压。在供能设备中将使用单元分配到支路中，其中在每个支路中将其使用单元连接成串联电路，且每个支路借助于其由使用单元组成的串联电路产生总电压。
每个支路端部经由相应的能电气分离的开关单元与供能设备的汇流排装置连接，且在每个支路内为每个使用单元设有桥接电路。控制装置在供能设备的运行中识别在支路之一中的有故障的使用单元，且在识别到有故障的使用单元的情况下将支路借助于支路的开关单元与汇流排装置电分离。随后，控制装置借助于桥接电路通过电气分离支路的使用单元减小支路的总电压。由此，那么仅仅在支路中还存在使用单元的单电压，而不是总电压。因此，可以在无总电压状态下更换有故障的使用单元。
本发明也包括按照本发明的方法的改进，其具有如已经结合按照本发明的供能设备的改进所述的特征。出于这个原因，在此不再赘述按照本发明的方法的相应的改进。
附图说明
在下文中描述本发明的各实施例。其中：
在下文中描述本发明的一个实施例。其中：
图1示出按照本发明的供能设备的一个实施形式的示意图；
图2示出带有桥接电路的图1的供能设备的使用单元的示意图。
具体实施方式
在下文中阐明的实施例是本发明的优选实施形式。在各实施例中，各实施形式的所述构件各自表示本发明的单个的、要相互独立考虑的特征，这些特征各自也相互独立改进本发明且由此也可单个地或以不同于给出的组合地视为本发明的组成部分。此外，所述实施形式也可通过本发明的已经所述特征中的另外的特征补充。
在附图中，功能相同的元件各自设有相同的附图标记。
图1示出了电气供能设备10，其可以设计为蓄能器或纯能量源或其组合。供能设备10例如可以设计为用于电能的静态蓄能器。供能设备10例如可以安装在道路网上。在供能设备10上因此可以连接至少一个设备100、例如可电驱动的机动车，用以借助于能量交换E例如给机动车的牵引用电池充电。供能设备10也可以设置用于用作移动电池或牵引用电池或太阳能蓄能器。作为牵引用电池可以在供能设备上连接例如牵引驱动装置的电机。供能设备10可以在充好电的状态下输出至少1kW电功率和/或提供至少1kWh电能。
在供能设备10中可以为了能量交换E设有多个电路分支或链或支路11，其中在每个支路11中可以使用单元12中的相应多个连接成串联电路13。使用单元12那么组合在供能设备10中，亦即例如在车辆牵引用电池中或者在电气静态蓄能器中。供能设备10可以具有壳体，支路11和汇流排装置18设置在壳体中。
每个使用单元12可以包含各一个电气蓄能器和/或用于电能的纯电源。作为蓄能器，使用单元例如可以包含电化学电池单体或带有多个电池单体的电池单体模块或电容器或带有多个电容器的电容器装置。电池单体的示例是这样的具有如下技术如锂离子、铅酸、固态/固体的示例。适合的电容器的示例是双层电容器(具有优选至少1mF、特别是至少100mF电容的所谓的超级电容器(R))。纯电源的示例分别是燃料电池和太阳能电池。作为能量源，使用单元12例如可以包含燃料电池或燃料电池堆或太阳能电池或太阳能电池板或例如发电站(例如抽水蓄能式发电站)的发电机。使用单元12为了提高电流也可以具有例如多个电池单体或电池单体模块的并联连接。
在每个支路11内使用单元12的应用的技术是统一的，亦即例如仅仅设有电池模块或仅仅设有太阳能电池。每个支路11那么具有相同技术的使用单元12，亦即例如作为电池单体模块每个使用单元具有锂离子蓄电池。但是也可以是通过不同支路提供混合技术。由此，供能设备可以匹配于应用目的或需要的运行特性。例如为了供能设备10在机动车中的应用，可以作为牵引用电池设有例如不同技术的两个支路，例如具有使用单元12的数量的如下分配：80％能量单体(大的蓄能容量)、20％功率单体(更昂贵，但是更大的功率流)。
对于每个支路11，如图1所示，除了由使用单元12组成的串联电路13之外还可以设有：直流电压转换器14、在支路端部11’上各一个机械开关单元15、用于支路电流强度I的测量装置16和/或用于检测支路11的总电压或支路电压的电压测量装置。
每个直流电压转换器14可以以本身已知的方式设计。一般地，直流电压转换器可以是升压转换器或降压转换器或逆变转换器。每个直流电压转换器14可以特别是降压转换器。每个开关单元15可以机械开关地设计且特别是可电分离的。每个开关单元15可以具有多个ON/OFF接触器或(如图1中所示)设计为选择开关的接触器(1至N多路复用器)。借助于每个开关单元15，相应的支路端部11’可以与支路连接端17交替电连接和分离。每个支路连接端17构成到汇流排18’的电气连接端。汇流排18’总地形成由独立的汇流排18’组成的汇流排装置18。支路11的每个支路连接端17在此可以与汇流排装置18的另一汇流排18’连接。对于每个支路端部11’(正电极和负电极)那么可以设有多个支路连接端17，用以将支路11交替连接在汇流排装置18的多个不同的汇流排18’上或者与每个汇流排18’电分离。通过打开支路11的两个开关单元15可以因此将该支路电隔离，且也可以在供能设备10的持续运行中更换该支路。
每个支路11可以借助于串联电路13在支路连接端17上提供总电压或直流电压U。直流电压U可以是大于60V、特别是大于100V的直流电压(HV)。但是也可以设置，直流电压U位于在8V至60V的范围中。如果支路11与两个汇流排18’连接，那么在两个汇流排之间因此存在直流电压。每个支路11可以为此借助于其开关单元15交替地与由汇流排18组成的各一对电连接。支路11可借助于开关单元15交替地与各一个汇流排对连接，其方法是各一个支路端部11’连接到汇流排对的一个汇流排18’，从而直流电压U施加在汇流排对上。
测量单元16也可以设有关于支路11的所述总电压测量，用以检测直流电压U。如图1中所示，测量单元16为此优选地后置于直流电压转换器14，以便能实现借助于直流电压转换器14进行电压调节。如结合图2还将进一步所阐明的那样，在每个使用单元12中还设有单电压测量。
经由汇流排装置18可以将至少一个设备100与各支路11连接。通过汇流排装置18的汇流排18’因此形成汇流排矩阵，经由汇流排矩阵可选择地将至少一个选择的支路11与选择的设备100电气连接，而同时另一设备可与至少另一支路11电气连接。这些设备在此保持相互电气分离。
哪个支路11与哪个汇流排18’电气连接可以通过控制装置19确定。控制装置19可以为此确定至少一个连接的设备100的相应的能量需求和/或相应的功率需求，且随后选择至少一个支路11，借助于该支路可以满足需求。设备100本身例如可以经由通信接口被告知需求，或者需求可以例如作为固定预定的值存储在控制装置19中。控制装置19那么可以将每个选择的支路11的开关单元15与汇流排18’连接，汇流排18’通至连接的设备100。
可以在每两个支路11之间各自设有另一开关单元15’，用以串联连接两个支路11并因此累加其支路电压。由此可以在两个汇流排18’之间也提供比由单个支路11能产生的更大的电压。
汇流排18’可以各自成对地与输出连接端20连接，在输出连接端20上可连接各一个设备100。汇流排18’与输出连接端20的各个电气触点的连接在图1中通过对应的标记1+、2+、3+、1-、2-、3-表示，其中“+”可以代表正电位，而“-”可以代表负电位或接地电位。各符号表示三个可能的汇流排对1+、1-和2+、2-以及3+、3-，其中输出连接端20的电气触点也可以设计为通过另一未示出的开关装置可交替与不同的汇流排18’连接。输出连接端20在此可以总是保持相互电分离，只要连接端20的每个汇流排18’与另一支路11电气连接。
在此，也可以设计不同支路11的同时充电和放电，例如给设备100依次供以来自不同支路11的电能，其间又给这些不同支路11充电。例如电动车(或者一般的设备)的充电过程可通过具有例如400V的输出电压的汇流排对实现，而同时其他支路11的充电例如可以经由变压器21在例如800V充电电压的情况下从供电电网22或其他装置外的能量源实现。变压器21可连接在供能设备10的输入连接端23上。如果支路11并非针对该充电电压设计，那么这些支路11可借助于开关单元15’串联连接成串联电路。电分离通过使用用于相应的支路11和/或每个电压水平(输出电压和充电电压，例如400V和800V)的不同汇流排18’实现。
通过支路11也可以实现功率集中，其方法是能量源、例如太阳能设备在输入连接端23上以第一功率将能量馈入到至少一个支路11中，且接着支路11将该能量以大于第一功率的第二功率又输出给连接到输出连接端20上的设备100上。
作为静态蓄能器，供能设备10可选择地可对于输入连接端23具有包括多个交流/直流转换器24’的模块式构成的交流/直流转换器装置24，各交流/直流转换器24’可单个地在汇流排18’之间借助于开关单元25进行切换，用以可以在汇流排18’上提供对于充电电流的预定电流强度和/或充电电压或者也可以将相应的交流/直流转换器24’与汇流排装置18电分离。借助于另外的开关单元26与输入连接端23的电分离也是可能的。开关单元25、26可各自通过接触器形成。开关单元25、26能通过开关装置19驱控。通过打开交流/直流转换器24’的两个开关单元25、26，因此可以电隔离该交流/直流转换器24’且也可以在供能设备10的连续运行中将其更换。开关单元25、26因此是隔离开关。交流/直流转换器24’可以设计为电分离的。但是，交流/直流转换器装置24不必须具有绝对电分离的交流/直流转换器24’。其他转换器是更有利的。电分离可以随时借助于支路的机械开关确保。
在输入连接端23而不是供电电网23上可连接电网独立的能量源，如备用发电机组或风力发电设备。与之不同地，供能设备10本身也可以形成电网地作用，亦即相对于其他连接到输入连接端上的设备可预定电网频率。这特别是对于供能设备10在没有本身的供电电网22的区域中的应用是有利的。在此，可以没有匹配地如在公共供电电网上那样运行交流设备。对于形成电网的运行的对立部分是电网跟随(netzfolgende)的运行，亦即按照预定的电网频率同步化该对应部分。
为了切换开关单元15、15’、25、26和使用单元12以及为了接收来自使用单元12的数据，控制装置19可以与这些构件经由通信装置27联接。通信装置27可以包括例如通信总线，例如CAN(CAN–Controller Area Network)总线或以太网。
控制装置19因此一般累积关于如下的认识，即可如何切换哪个，亦即例如哪个汇流排18’可切换到哪个支路11上。控制装置19至少部分可以设计为用于所有支路11的中央控制装置，和/或至少部分设计为用于每个支路11的分布式控制装置。控制装置19可以具有处理器装置，其包括至少一个微控制器和/或至少一个微处理器。处理器装置的运行程序可以设置成，在通过处理器装置执行时实施用于运行供能设备10的所述方法步骤。
可选择地，电容器30、31(特别是双层电容器)可设置在输出连接端20上和/或输入连接端23上，用以缓冲负载峰值。通过使用单元12可以因此在负载峰值/高峰(在例如直至例如3秒或5秒的持续时间的范围中)的情况下更经济地运行，因为抑制了负载峰值。负载峰值可以是大于配置的使用单元12的单个额定功率的总和的电气功率，特别是大于总和的1.2倍的功率。
为了在汇流排18’上的切换过程，可以将转载电路或限制电路32(开关和电阻元件)与相应的电容器30、31串联连接，用以引导电容器电流经由电阻元件，由此将电容器电流的电流强度限于预定的最高值。限制电路32可用于相应的电容器30、31的充电和放电。电容器30、31连同其限制电路32形成电容装置。限制电路32也形成预载电路(Vorladeschaltung)。
支路11(特别是在支路11中的使用单元12)的冷却例如可以在支架中通过在支路层之下设置冷却层来实现。
每个汇流排18’可以由铝或铜制成。铝是更物美价廉的材料且比铜更轻。铝通过比电阻生成损耗功率(亦即比铜的更大)，由此可以生成加热功率用于使用单元12(特别是电池单体)的调温，加热功率可通过热耦合、例如冷却回路由汇流排18’传输给使用单元12。
在汇流排18’上多个支路11时的电流分配的情况下，可以通过调节/调整经由支路11的直流电压转换器14的各个支路电流I来匹配、例如均衡或动态移动电流强度I。如此例如对于设备100需要的总电流强度可以分配到N个支路11上，例如N＝3，且每个支路11可产生本身对于其可调节的电流强度I，例如N＝3:50％、25％、25％。
由此可以考虑使用单元12的在相应的支路11中可用的技术，从而在其技术规范内运行使用单元12。因为电压U是可确定的，于是所以可以借助于直流电压转换器14调节电流I，由此例如在支路11之间流经的补偿电流小于阈值。如此例如可以确保：在电池的情况下对于每个电池单体流过直至300-400A的电流I仅仅15秒，但是仅仅直至150A的持续电流流过。每个支路11那么可以以本身的运行策略运行，匹配于其技术。借助于直流电压转换器14可以调节适合的电流强度I。
附加地或备选地，可以根据由支路11通到输出连接端20(亦即到负载)的汇流排部段的线路长度28借助于相应的支路11的直流电压转换器14通过控制装置19调节相应的支路11的电流强度I，用以根据线路长度28和根据因此产生的损耗调节在多个并联连接的支路11的情况下调节电流强度I的分配，由此可以优化地(例如最小化或最大化用于加热)和/或局部分配损耗。具有通过汇流排18’的馈送线路的较短的线路长度28的支路11可以为了最小化而相比于具有较长的线路长度28的支路11获得分配更大的电流强度I。由此不同线路长度的影响得以补偿。也可以根据线路部段的当前温度调节电流强度I。通过这样的功率管理，可以通过预定和匹配在各个线路部段上的电流强度来补偿铝的较高比电阻的缺点。
在需要时，可以通过控制装置10因此总地将具有当前需要的特征的支路11连接到应用的汇流排18上，该汇流排通至输出连接端20，在该输出连接端20上通过连接的设备100提取功率。根据需要可以借助于其开关单元15联接每个支路11。在此，可以单个地排空/加载每个支路11。附加地或备选地，可以在支路11内实施对于直流电压转换器14的效率优化，其方法是通过使用单元12的选择和接通来调节其输入电压。每个支路11的直流电压转换器14因此可以实现两个目的。直流电压转换器将支路电流I限制到可预定的额定值，由此可以按照其预定的技术规范(运行边界)运行各使用单元12。支路11的电压U可补偿汇流排电压。如此可以减小在多个支路11之间的补偿电流。附加地，直流电压转换器14确保：在支路连接端17上存在预定的额定电压，这无关于在支路11中激活运行的使用单元12的数量。
对于支路电流I的电流测量16能以所述方式在中央在支路11中的测量单元16中实现且无论如何对于直流电压转换器14的调节是必要的。
中央控制装置也可以在每个支路11内对其单个地再设置，亦即接通和关断支路11的串联电路13中的使用单元12。假如例如支路电压U小于接通的汇流排18’的需要的汇流排电压，那么可以接通支路11的串联电路13中的更多的使用单元12。这可以借助于半导体开关(例如晶体管)如此快速实现，使得这可以在直流电压转换器14的开关间隔中实现。
在图2中为此示出，如何通过单个的开关装置N10可电气桥接、电气隔离和/或放电每个使用单元12。为此，以所述方式设有半导体开关T(晶体管)。每个使用单元12可以设置为功能：搭接/桥接电路N11、诊断单元N12、(特别是被动式的)负载平衡/放电电路N13、隔离/分离电路N14。半导体开关T仅必须可以关断低伏特电压，例如使用单元12的2x单电压V。负载平衡也可以通过已知方式主动地实现(所谓的主动负载平衡)。除了用于分离电路N14的开关之外，对于对置的第二极也可以设有另一开关(所有极的开关)。诊断单元N12可通过已知方式设计为用于单体分析，例如借助于例如阻抗光谱进行阻抗测量。诊断单元N12可以为此为每个使用单元12为了阻抗光谱分析(0赫兹直至例如3千赫兹)确定在多个频率f下的测量电流I’和单电压V，这产生关于频率f的阻抗曲线。这形成阻抗谱。诊断单元N12可以将测量电流I’和/或单电压V和/或测量的阻抗的当前状态值29经由通信装置27通告给控制装置19。术语“阻抗”结合本发明表示在预定频率、例如0赫兹下的阻抗值或关于频率f的阻抗曲线。多个频率可以在带有逐步的提高或减小的频率扫描中被检测。对此备选地，同时可以设有在多频率情况下的多频激励。多频激励例如可以设计为多正弦激励或矩形信号或跃变信号。
如此可以单个地监控每个使用单元12，例如关于其SoH(健康状态-损耗状态)和/或SoC(荷电状态-供能容量)和/或SoF(功能状态-功率能力、功率输出能力)。特征参量SoH和SoC和SoF本身是由现有技术是已知的。
与阻抗测量无关地，也可以在没有阻抗测量的交变电压的情况下测量使用单元12的单电压V。桥接的(借助于桥接电路N11)使用单元12也可以关于其单电压V被监控。在接通之前(N14闭合或导电接通)可以借助于负载平衡N13单个地调整使用单元12的单电压V。可选择地，也可以为每个使用单元12设有电气充电单元，其可以单个地在分离电路N14的半导体开关打开的情况下也为使用单元12充电(因此可以单个地充电每个使用单元12)。充电单元的供能例如可以经由通信装置27实现(例如借助于以太网供电技术)，或者借助于电分离的电流供给单元。
可以设有N11和N14的相互锁定(例如软件技术或借助于逻辑电路)，由此不产生短路。
附加地可以设有通过诊断单元N12的温度测量或者例如通过控制装置19的由阻抗推导温度。
因此，对于控制装置19存在经由通信装置27对每个单个的使用单元12的访问。每个使用单元12的状态是可读取的且每个使用单元12的开关装置N10是可控的，特别是桥接电路N11结合分离电路N14。通过桥接电路N11和分离电路N14的组合的开关，可以交替接通和断开在串联电路中的使用单元12。
基于此可以在中央在控制装置19中确定每个使用单元12的损耗/状态(例如以阻抗作为损耗值的形式)，且可以根据确定的状态调节每个使用单元12的开关状态。各个使用单元12可由链11电气取出(桥接N11)、纳入(串联连接)、单个地放电(放电电阻R、平衡电路N13)、暂时电气分离(N14打开/开关到电气关断)，例如对于诊断单元N12。
因此，可以对在支路11中的使用单元12的不同的损耗/单个的参数分布做出反应：优选地，仅仅使具有相似的参数值的使用单元12激活地运行。相似性可以通过相似性标准限定，相似性标准例如预定至少一个特征参量的最大区别，其中该区别可以位于在10％至100％的范围中(两倍/一半)。首先，桥接/关断老化/弱的使用单元12。这些使用单元可通过功率能力标准识别，功率能力标准例如涉及阻抗或者由此限定，即违反了相似性标准。那么，功率能力标准排除太弱的使用单元12。老化/弱的使用单元12的接通随后又是可能的，即一旦支路条件通过，亦即其余的使用单元12同样如此损耗，使得又满足相似性标准。
通过相似性标准可以降低负载平衡的必要性。预先可以均衡每个使用单元的功率(支路中的电流I是相同的，但是在不同电压的情况下产生不同功率，这导致局部发热并因此导致老化/损耗)。因为负载平衡需要对“最弱的”使用单元——其那么也产生最低的电压——进行均衡，亦即必须降低到最低电压。通过预先地借助于相似性标准实现相同或相似的运行条件，平衡是不太必要的。那么如果例如在支路中存在V＝4.1伏特和V＝3.9伏特的单电压，那么平衡必须针对最弱的使用单元进行调节，亦即针对3.9伏特。通过内阻测量(阻抗光谱)可以识别最弱的使用单元(最大的内阻)(功率能力标准)且将其从支路11关断(桥接N11)。但是，阻抗仅仅是用于识别弱的使用单元的一个示例。一般地，最弱的使用单元的识别可以根据使用单元的状态实现。
通过支路11的所有使用单元12的电气隔离/分离N14，也可以无HV(高压)地接通支路11。所有使用单元12相互隔离。在该安全模式下，可以例如对于装配、事故安全、紧急情况、运输确保支路11的安全。开关顺序是重要的：首先打开机械开关单元15(接触器)，随后在隔离N14使用单元12之后实现串联。
通过控制装置19也可以设有各个使用单元12的损耗均衡/损耗平衡。损耗平衡规定均匀利用由使用单元12组成的区域/装置。由此实现在使用单元12运行中的损耗均衡。相关的典范可以是来自闪存技术(https://en.wikipedia.org/wiki/Wear_leveling)的损耗平衡(Wear-Leveling)。
损耗的均衡化的优点是延长供能设备10的总寿命，因为降低各个使用单元12的故障概率，如其可通过单个使用单元12的超平均的耗损引起。
能量的供给/提取、亦即与连接的设备100的能量交换E借助于下一个使用单元12实现，该使用单元按照损耗平衡规则轮到。为此，为每个使用单元12给出当前的损耗状态作为损耗值。该措施的目标那么是均匀的损耗。损耗值例如可以通过使用单元12的阻抗表征。损耗值说明使用单元12的耗损。
可以根据损耗值、基于均衡标准为每个使用单元12确定至少一个运行参量、例如在放电时的电流I和/或在充电时的单电压V的相应额定值，其中均衡标准设置：通过调节每个额定值使用单元12中的一个或一些或全部虽然总体地完全实现能量交换E，但是在此将由所有损耗值计算的使用单元12的耗损的区别保持最小。那么，在能量交换E期间均衡使用单元12的耗损，其方法是将较剧烈耗损的使用单元12相比于不太剧烈耗损的使用单元12更小地加载。不太剧烈耗损的使用单元12在此继续耗损，由此其耗损状态对于更小负载的使用单元12的耗损状态均衡。
损耗值在运行中变化，亦即假如使用单元12运行在如下运行点，该运行点不同于理想状态(使用单元继续损耗)，那么损耗值的变化更快。因此保护措施也是有意义的。
优选地，为此仅仅在理想状态周围的容差范围内运行使用单元12，该理想状态例如可以在50％的荷电状态下存在和/或可以预先规定使用单元12的在能量交换期间流经电流的电流特性。
一般地，理想状态与使用单元的应用的技术有关且在现有技术中是已知的。理想状态可以在电池模块的情况下通过如下参数限定：
SoC–荷电状态(能量含量)–理想地为50％；
DoD–放电深度–放电程度(电流特性)例如理想的荷电状态50％减去最大20％(容差范围)。提出的理想值与电化学和/或设置的应用有关且各自对于具体的供能设备应由本领域内技术人员确定。
一般地，DoD应保持“小”，亦即不太大程度地向下下降。当前运行点与理想状态距离越远，损耗值上升越快。当前运行点可如下调节，其方法是相应地调节使用单元12的充电电流/放电电流I。交流/直流转换器24可用于调节充电电流，直流电压转换器14可用于调节放电电流。在此应均衡所有使用单元的损耗状态/损耗值。
另一保护措施如下：可以维持在使用单元12上的超容量。在没有附加的开关的情况下，可以借助于在使用单元12上的超容量分配负载。为每个使用单元12产生较小的负载，其方法是总是共同应用所有使用单元，以便均匀地耗损。但是寿命也已经由于较小的负载而延长；因为如果例如对于每个支路在110％容量的情况下(在支路中使用单元12的单个容量的总和)具有抑制地通过控制装置19调用仅仅100％(名义上的额定值)，那么为每个使用单元12产生更小的峰值负载。支路11例如提供比所需要的更大的电压，那么相比于在仅仅100％额定值(额定容量)的占用下对于相同的功率必须更小的电流I流经。示例：提供12个使用单元，但是仅仅10个使用单元的额定值名义上可用。
在没有开关的情况下必须接通12个使用单元，但是通过电子方式仅仅实现调用用于仅仅10个使用单元的容量(开关是不必要的！)。由此，较弱的使用单元也是可能的，因为其峰值电流更小，亦即由于产生的更高的支路电压U，因为比名义上存在的更多的使用单元串联连接。更廉价的使用单元的利用是可能的。
假如开关可用，例如半导体开关T，那么可以在支路11的使用单元12之间设有切换，例如总是提供10个使用单元(产生额定容量)而桥接2个使用单元。
提供在使用单元12上的超容量表示：使得使用单元12的单额定容量的总和(亦即其组合的总容量)大于向外可用的额定容量。由此也可以补偿使用单元的失效。如此可以将供能设备10例如提供为带有规定的或名义上的额定容量(例如100kWh)的蓄能器(例如电池蓄能器)。实际上，在内部设有总容量，其大于使得由外部可用的额定容量(例如110kWh的实际总容量，大于例如100kWh的净容量)。换言之，存在比为了额定容量的提供所必要的使用单元更多的使用单元(例如电池单体模块)。
例如向外总是仅仅使得如相应于额定容量的那么多的使用单元对于放电可用。这些使用单元那么是激活的单元或“激活单元”。其余的(未激活使用的)蓄能单元是“储备单元”。
按照故障区块管理(BBM–Bad Block Management)识别故障或用坏的激活单元且将其停止运行。亦即在激活单元失效/故障(有故障的使用单元)的情况下可以将这些失效的激活单元停止运行且将储备单元(迄今非激活的使用单元)作为新的激活单元投入运行。如此，即使一个使用单元/多个使用单元失效也维持名义上的额定容量。术语故障区块管理(BBM)源自闪存技术(相关内容可参考如下网页链接：https://en.wikipedia.org/wiki/ Flash_memory#Memory_wear)。
但是在正常运行下也可以实现在各使用单元之间的转换或切换(例如按照循环算法或一般地按照预定的更换规程)，以便均匀地耗损所有使用单元。于是如果激活储备单元作为对于失效的激活单元的替代，那么储备单元已经具有与其余激活单元相似的电气特征，因为其已经具有相似的耗损度(在所述相似性标准的意义上)。这可以以所述方式降低必要的负载平衡的程度。
基于将各使用单元分为激活单元和储备单元，也可以在蓄能器运行期间在维护时更换使用单元，而不影响额定容量。要更换的使用单元在此可以作为储备单元被分离/停止运行以及随后被拆卸/代替(使用单元的动态更换)。
故障区块管理和/或更换也可以逐组地或逐支路地实现，亦即随后开关和/或更换一组使用单元12或支路的全部串联电路13。而且在使用单元12内也可以实现故障区块管理。如此例如可以在设计为电池模块的使用单元12的情况下设有多个电池单体，例如12个电池单体在并联组合中作为各4个电池单体的3倍串联连接。那么可以关掉各一个并联组合，例如通过桥接。
关于各支路的充电管理可以规定如下。
通过汇流排18可以借助于直流电压转换器14连接在一起，用于转载能量。支路11因此可通过多个电源充电，例如40kW来自另一支路11而10kW来自交流/直流转换器24’，以便提供50kW的充电功率。
在功率输出时可以平滑化/均匀化负载性能，其方法是例如一些支路11给负载供电，而其他支路11已经充电，以便随后提供用于另一充电过程。例如同时可以以例如10A充电而以例如20A放电(至少一个支路11给设备100充电，至少另一支路11从供电电网22充电)。通过接通支路11也可以产生提升电流(短时峰值，例如大于1.5倍)。
各个支路11的(热/电气)负载可以是受限的，其方法是不同支路11交替地给连接的设备100供电(例如给电动车充电)。如此也可以限制所述的DoD(放电深度)，例如按照20％。
假如这些支路被开关到不同汇流排上，借助于在每个支路11上的机械开关单元15也可以实现在各支路之间的完全电分离。这是前提条件，用以可以同时给多个设备100(例如电动车)充电。每个电动车连接到与其余汇流排电分离的另一汇流排18’上。
总而言之示出这样的示例，即如何可通过本发明在供能设备中实现在运行中维护和/或更换使用单元。

Claims (9)

1.一种电气供能设备(10)，包括多个使用单元(12)，其中，每个使用单元(12)设置用于产生或暂存电能，其中，在供能设备(10)中将使用单元(12)分配到支路(11)中，在每个支路(11)中该支路的使用单元(12)连接成串联电路(13)，每个支路(11)设置成，借助于其使用单元(12)的串联电路(13)产生总电压(U)，其特征在于，每个支路端部(11’)经由相应的能电气分离的开关单元(15)与供能设备(18)的汇流排装置(18)连接，在每个支路(11)内为每个使用单元(12)设有桥接电路(N11)，控制装置(19)设置成，在供能设备(10)的运行中识别所述支路(11)之一中有故障的使用单元(12)，并且在识别到有故障的使用单元(12)的情况下将支路(11)借助于其开关单元(15)与汇流排装置(18)电分离，以及支路(11)的总电压(U)由于借助于其桥接电路(N11)将支路(11)的使用单元(12)电气分离而减小，从而代替总电压(U)仅仅还存在使用单元(12)的单电压(V)。
2.根据权利要求1所述的供能设备，其中，使用单元各自包括至少一个电池单体模块和/或至少一个燃料电池和/或至少一个太阳能电池板和/或至少一个电容器和/或发电机。
3.根据上述权利要求之一所述的供能设备，其中，每个开关单元至少是开/关类型的接触器或选择开关、1对N多路复用器类型的接触器。
4.根据上述权利要求之一所述的供能设备，其中，控制装置设置成，在供能设备的运行中在通过新的使用单元替换有故障的使用单元之后将所述新的使用单元与支路的其余使用单元电联接。
5.根据上述权利要求之一所述的供能设备，其中，在所述支路中为每个使用单元分别提供诊断单元，用于检测相应的使用单元的预定的电气特征参量的当前状态值，以及控制装置设置成，经由供能设备的通信装置接收各支路的所有使用单元的状态值，并且根据其状态值识别出有故障的使用单元。
6.根据上述权利要求之一所述的供能设备，其中，供能设备具有与汇流排装置连接的、用于与公共供电电网或与交流电源交换电能的交流/直流转换器装置，其中，该交流/直流转换器装置具有多个交流/直流转换器，多个交流/直流转换器中的每个交流/直流转换器通过本身的隔离开关一方面与用于供电电网的输入连接端联接，另一方面与汇流排装置联接，以及其中控制装置设置成，在供能设备的运行中识别有故障的交流/直流转换器，且将有故障的交流/直流转换器通过关断其隔离开关电隔离。(由此也可以在供能设备的运行中电隔离和更换这样的交流/直流转换器，而无需关断其余供能设备)
7.根据上述权利要求之一所述的供能设备，其中，汇流排装置具有多个汇流排，支路的开关单元设置成，根据控制装置的切换信号在汇流排之间进行切换。
8.根据上述权利要求之一所述的供能设备，其中，在所述支路(11)中分别使用单元(12)的串联电路(13)经由直流电压转换器(14)与支路端部(11’)联接。
9.一种用于运行包括多个使用单元的电气供能设备的方法，其中，每个使用单元设置用于产生或暂存电能，其中，在供能设备中将使用单元分配到支路中，以及在每个支路中将支路的使用单元连接成串联电路，每个支路借助于其由使用单元组成的串联电路产生总电压，其特征在于，每个支路端部通过相应的能电气分离的开关单元与供能设备的汇流排装置连接，以及在每个支路内为每个使用单元设有桥接电路，控制装置在供能设备的运行中识别在支路之一中有故障的使用单元，以及在识别到有故障的使用单元的情况下将所述支路借助于该支路的开关单元与汇流排装置电分离，以及借助于桥接电路通过将支路的使用单元电气分离来减小支路的总电压，从而代替总电压仅仅还存在使用单元的单电压。
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