CN111052530B - 运行多个使用单元的方法及供能设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于运行包括多个使用单元(12)的电气供能设备(10)的方法，每个使用单元(12)设置成产生或暂存电能，控制装置(19)设置成，控制在供能设备(10)与至少一个与供能设备(10)联接的设备(100)之间的能量交换(E)，方法是控制装置在每个使用单元(12)中调节至少一个电气运行参量的各一个额定值。本发明设定，控制装置(19)在能量交换(E)之前为每个使用单元(12)确定使用单元(12)的相应的损耗值，且对于每个使用单元(12)基于均衡标准确定至少一个运行参量的相应的额定值，均衡标准规定，通过调节每个额定值使用单元(12)总体上完全进行能量交换(E)，在此将由所有损耗值计算的使用单元(12)的耗损的差别保持最小。

Description

运行多个使用单元的方法及供能设备
技术领域
本发明涉及一种用于在供能设备中运行多个使用单元的方法。供能设备例如可以是基于电池模块的静态蓄能器或用于电动车辆的车辆用电池，其中那么使用单元是电池的电池模块。为了在供能设备与至少一个连接在其上的设备之间的能量交换，控制装置在每个使用单元中调节至少一个运行参数、例如电流的额定值。能量交换可以设有能量接收或能量输出。本发明也包括一种供能设备，其可以实施按照本发明的方法。
背景技术
包括作为使用单元的电容器的供能设备例如由文献US 6522031 B2已知。电容器经由汇流排与用于连接设备或电网的连接端连接。
包括多个使用单元的供能设备也由文献US 5610802 A已知。使用单元在彼处设置在架子中且可以单个地相互无关地从架子移除。
由文献US 6424119 B1已知一种供能设备，其中多个电池模块经由直流电压总线相互联接。借助于整流器可以将经整流地充电电压馈入到直流电压总线中，用以给电池充电。借助于逆变器可以将直流电压转换为用于电网设备的运行的电网电压。
由文献DE 10 2014 200 329 A1已知供能设备，其中使用单元设置在并联连接的支路中，其中每个支路包括使用单元中的一些。每个支路可以经由开关单元连接到汇流排装置。在每个支路内，所谓的负载平衡对于在其中串联连接的使用单元是必要的。但是这表示：具有最大损耗的使用单元限制了在每个使用单元上可设定的电压。如果一个使用单元比另一使用单元更快速地损耗，那么这影响供能设备的总功率能力。换言之，最弱的使用单元损害供能设备的总寿命或总使用期。
发明内容
本发明的任务在于，在包括多个使用单元的供能设备中提供延长供能设备的总使用期或总寿命的措施。
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、以下说明以及附图提出。
本发明提供一种方法，用以运行包括多个使用单元的供能设备。每个使用单元一般设置成，产生或暂存或动态再分配电能(如电容器)。此外设有控制装置，该控制装置设置成，控制在供能设备与至少一个与供能设备联接的设备或连接到供能设备上的设备之间的能量交换。在供能设备上可以连接有例如可电驱动的车辆，用以给其牵引用电池充电。对于能量交换电流必须流过，用以传输电功率。这可以通过调节装置控制。所述控制装置为此对于每个使用单元各自预先设定至少一个电气运行参量的额定值或调节该额定值。额定值例如可以预先规定用户单元的电流的电流强度，其借助于电流调节装置是可调节的。
使用单元可以在这样的能量交换中损耗或老化。例如，在电池模块形式的使用单元中其内阻可以变差，亦即不可逆地增大。现在为了不如此大程度地发生单个使用单元的这样的损耗，使得使用单元失效且因此干扰供能设备总体上的运行，按照本发明规定如下。控制装置在所述能量交换之前和/或在能量交换期间一次或重复地实施如下步骤。
对于每个使用单元确定使用单元的相应的损耗值。损耗值说明相应的使用单元的耗损程度或耗损状态。这样的损耗值可以根据技术(例如电池模块或电容器)表示使用单元的另一技术参量。可以通过简单的试验来确定哪个技术参量适用于损耗的描述。
随后，对于每个使用单元基于损耗值确定至少一个运行参量(例如运行电流)的相应的额定值，其方法是如此选出额定值，使得额定值满足预定的均衡标准。均衡标准的目的在于，均衡使用单元的损耗状态。均衡标准为此设定，如此选出额定值，使得将由所有损耗值计算的使用单元的耗损的差别至少保持相同或甚至减小。这表示，通过如下方式调节各使用单元的额定值，使得在不同使用单元的耗损中的差别至少不增大、亦即保持相同或甚至减小。使用单元用于能量交换的运行那么引起损耗均衡(英语：Wear Leveling)。均衡标准自然也规定，通过调节额定值总体上完全实现能量交换。换言之确保：提供或接收如对于能量交换所必要的那么多的能量，亦即例如用于电动车的充电过程。
通过调节额定值随后可以在能量交换中涉及或利用各使用单元中的一些或所有，其方法是相应地预先规定其额定值。对于每个其余的使用单元，额定值可以为0。如果供能设备包含剧烈耗损的使用单元和不太剧烈耗损的使用单元，那么对于这两个使用单元如此调节额定值，使得不太剧烈耗损的使用单元在能量交换时相比于已经剧烈耗损的使用单元负载更多。由此保护该已经剧烈耗损的使用单元，同时在能量交换时更剧烈地耗损不太剧烈耗损的那个使用单元。由此总体上这两种使用单元的耗损得以均衡。
通过本发明那么产生如下优点，即均衡各使用单元的损耗值，假如损耗值已经相同，那么可以将其保持相同。因此避免了：在供能设备中产生这样的使用单元，该使用单元被耗损直至完全失效，而同时还存在如下这样的使用单元，该使用单元还具有完全的功能能力且随时准备好用于多个运行小时。这一个使用单元的完全失效那么也可以意味着供能设备的失效。通过所述方法相比之下通过均匀利用由使用单元组成的区域或装置产生所有使用单元的均匀的损耗。由此实现在各使用单元运行时的损耗均衡。这可以视为等同于来自闪存技术的Wear-Leveling(参见互联网链接https://en.wikipedia.org/wiki/Wear_leveling)。
例如可以基于至少一个微处理器和/或至少一个微控制器提供设置用于实施方法的控制装置。按照本发明的方法步骤例如可以实现为程序代码，其设置成，在通过控制装置执行时实施按照本发明的方法步骤。程序代码可以存储在存储机构的数据存储器中。
本发明也包括各改进，通过这些改进的特征产生附加的优点。
均衡标准可以如下设计。在此应用各使用单元中的这样的使用单元，其具有表明最小的耗损的损耗值。那么应用具有当前最小的耗损的使用单元。在此，应用使用单元中的如此多的使用单元，使得利用这些使用单元可实施能量交换。亦即可以在使用单元中以最小的耗损开始且选出各下一个使用单元，其在剩余的使用单元中又具有最小的耗损。通过这种方式选出如此多的使用单元，使得总地能实现能量交换。
一般地，使用单元是电源或用于转换或再分配能量的流出点/漏极(Senke)。一种改进设定，使用单元包括各至少一个电池单体(蓄电池单体)、特别是电池单体模块或多个(例如并联连接的)电池单体模块构成的组合和/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/或至少一个发电机。也可以设定，使用单元包括多个电池单体或多个燃料电池、亦即燃料电池堆或多个太阳能电池或多个电容器。使用单元那么可以是例如包括多个电池单体的电池模块。使用单元也可以设有多个电池模块的连接电路，例如由多个串联连接的电池模块组成的支路或由并联连接组成的串联连接组成的支路，其中每个并联连接又包括多个电池模块。
换言之，使用单元中的至少一些设置成用于暂存电能，亦即例如通过电池模块和/或电容器形成。这样的使用单元的至少一个运行参数那么包括如下中的一个：荷电状态SoC(State of Charge)、放电深度DoD(Depth of Discharge)、充电电流强度、放电电流强度、充电电压。荷电状态和/或放电深度可以根据在使用单元中提供的技术、例如应用的电化学技术选出。通过调节放电深度限制所谓的摇摆(Swing)(在放电过程中的升降)，这影响使用单元的寿命。通过相应的额定值那么可以确定：使用单元在提出的能量交换中如何剧烈地耗损或损耗使用单元。
作为阻抗和/或内阻的函数可以计算相应的损耗值。例如损耗值可以与阻抗或内阻相同。
假如使用单元涉及用于暂存电能的蓄能器，例如电池模块，可能的是，当前仅仅给使用单元中的一些充电。如果充电的使用单元是剧烈损耗的使用单元，那么即便如此这些使用单元不应在下次能量交换中再应用，而是取而代之地使用不太剧烈耗损的使用单元。一种改进设定用于如下情况，即在能量交换之前将调换能(Umschichtenergie)由至少一个使用单元传输到至少另一使用单元。亦即在供能设备内转载能量。被放电的至少一个使用单元和被充电的至少另一使用单元在此以如下方式选出，使得要放电的使用单元的相应的损耗值比至少另一要充电的使用单元的相应的损耗值表明更大的耗损。因为转载可以相比于原本的能量交换——因为例如为此更多的时间可用——更温和地进行，因此至少一个被放电的使用单元可以相比于在至少另一使用单元随后在与至少一个连接的设备进行原本的能量交换的情况下被更温和地放电。附加或备选地，通过转载可以遵循通过额定值预先规定的放电深度。
至今描述如下措施，即对于预定的能量交换将耗损集中到这样的使用单元，该使用单元的耗损至今是最小的。但是本发明也设有另外的保护措施，用以总体上与其耗损度无关地经济地运行各使用单元，亦即避免耗损。
一种改进设定，为此在通过均衡标准调节使用单元的相应的额定值时对于每个使用单元也考虑保护条件、亦即预定的边界条件。保护条件可以包括：以针对使用单元的相应的技术设定的单独运行特性运行每个使用单元。亦即，也对于如下情况：在能量交换中采用或应用如下使用单元，该使用单元按照其技术以预定的单独运行特性运行。根据技术，单独运行特性可以描述或预定能量和/或功率和/或电流和/或电压随时间的变化。单独运行特性因此例如可以预定电流的时间曲线。对此附加或备选地，保护条件可以包括：保持与预定的理想荷电状态的差小于预定的最大差。换言之，亦即保持所述摇摆、亦即在最大荷电状态与最小荷电状态之间的差小于预定的最大差。例如，使用单元的充电和放电可以在环绕理想荷电状态的+X％至-Y％的范围中变化，其中X、Y可以位于在10％至30％的范围中。理想荷电状态例如可以位于在蓄能容量的50％。
按照一个改进提出另一保护措施，其方法是在供能设备中维持比对于能量交换所必要的更多的使用单元。使用单元的单个容量的总和那么大于供能设备名义上的额定容量。额定容量例如可以涉及如下特征参量中至少之一：存储容量、最大功率。基于超容量那么可以根据功率能力标准从所述使用单元中确定或选出一个使用单元或使用单元的子组。选出的使用单元或子组在能量交换时保持不运行。也即是说它们不参与能量交换。功率能力标准例如可以涉及电池模块或电容器的所谓的负载平衡，通过负载平衡将所有串联连接的使用单元调节到共同的单电压值。单电压值必须涉及在串联连接中各个使用单元中的最小的单电压。因此，那么最弱的使用单元限制每个其他的使用单元的最大可能的单电压。如果现在取出具有最低的单电压的使用单元，从而其保持不运行，那么可以在每个其余的使用单元上调节到较大的单电压。通过提供所述超容量——通过所述超容量那么产生供能设备的比(朝外)提出的名义上的额定容量更大的总容量——的另一优点如下。对于能量交换必须提供电功率。因为现在供能设备的总容量大于额定容量，由供能设备提供的额定功率总地也小于各个使用单元的额定功率的总和。如果运行比对于能量交换至少所必要的更多的使用单元，那么这些使用单元中没有使用单元必须以其单额定功率运行，而是可以以小于其单额定功率运行，且尽管如此在供能设备的输出连接端上产生总额定功率。换言之，各使用单元的各个额定功率(单额定功率)的总和大于供能设备的名义上的额定功率。
为了总地来说可以运行具有不同额定值的使用单元，这些使用单元必须相互无关地能够与外部设备连接或联接。为此一种改进设定，使用单元中的各自一些组合为电路分支，其在此分别称为支路。支路的各使用单元在此连接为串联电路。支路的串联电路又在支路的一端上与直流电压转换器(DC/DC-转换器)连接。支路的至少一端(优选两端)各自经由至少一个电分离的开关单元与汇流排装置连接，经由汇流排装置实施与至少一个连接的外部设备的能量交换。因此支路的串联电路可以与汇流排装置根据选择地借助于至少一个开关单元联接，且随后可以借助于直流电压转换器控制或调节从支路流入汇流排装置中的电流的电流强度。为了在每个支路的串联电路内也有针对性地选出用于能量交换的使用单元且可以使得其他使用单元保持不运行，在每个支路内对于每个使用单元设有桥接电路。控制装置随后为了调节选出的使用单元中的至少一个运行值的相应的额定值而借助于直流电压转换器控制支路的电流。此外，每个支路的至少一个开关单元也通过控制装置控制，用以将支路总体上连接到汇流排装置或与之分离。每个支路的桥接电路也通过控制装置控制。总体上，如此控制装置单个地可以选出要应用的使用单元且电气桥接其余的使用单元，且借助于直流电压转换器调节或调整使用单元的电流。直流电压转换器优选是降压转换器。
本发明也包括可按照本方法运行的供能设备。供能设备那么具有多个使用单元，其中的每个为此设置成，产生或暂存电能。供能设备的控制装置设置成，实施按照本发明的方法的一个实施形式。通过所述方式，控制装置为此可以具有至少一个微控制器和/或至少一个微处理器。
附图说明
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地运行，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频谱进行阻抗测量。诊断单元N12可以为此为每个使用单元12为了阻抗频谱分析(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(阻抗频谱)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。例如同时能够以例如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将损耗均衡(Wear-Leveling)方法用于供能设备。

Claims (8)

1.一种用于运行包括多个使用单元(12)的电气供能设备(10)的方法，其中，每个使用单元(12)设置成产生或暂存或动态再分配电能，以及其中，控制装置(19)设置成，通过在每个使用单元(12)中分别调节至少一个电气运行参量的额定值来控制在供能设备(10)与至少一个与供能设备(10)联接的设备(100)之间的能量交换(E)，其特征在于，所述控制装置(19)在能量交换(E)之前和/或在能量交换(E)期间一次或重复地：
·对于每个使用单元(12)确定所述使用单元(12)的相应的损耗值，其中，所述损耗值表明所述使用单元(12)的耗损，以及作为所述使用单元(12)阻抗和/或内阻的函数计算损耗值；
·对于每个使用单元(12)基于均衡标准确定所述至少一个电气运行参量的相应的额定值，其中，所述均衡标准规定，通过调节每个额定值总体使所述使用单元(12)中之一或一些或全部完全进行能量交换(E)，以及在此使由所有损耗值计算出的、所述使用单元(12)的耗损的差别保持相同或减小，其中，在能量交换(E)之前，从至少一个使用单元(12)向至少另一使用单元(12)传输调换能，其中，所述至少一个使用单元(12)的相应的损耗值在传输之前表示比至少另一使用单元(12)的相应的损耗值更大的耗损。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述均衡标准规定，应用使用单元(12)中具有表明耗损最小的损耗值的使用单元，以及在此总地应用如此多的使用单元(12)，使得能实施与这些使用单元的能量交换(E)。
3.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述使用单元(12)包括至少一个电池单体和/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。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述使用单元(12)中的至少一些使用单元设置成用于暂存电能，这些使用单元(12)的至少一个电气运行参量包括如下参数中的一个或多个：荷电状态SoC、放电深度DoD、充电电流强度、放电电流强度、充电电压。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在通过所述均衡标准确定相应的额定值时，对于每个使用单元(12)考虑保护条件，所述保护条件包括：
a)以针对所述使用单元(12)的相应的技术预定的个性化的单独运行特性运行每个使用单元(12)；和/或
b)保持与预定的荷电状态的差小于预定的最大差。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述供能设备(10)中维持比对于能量交换(E)所需的更多的使用单元(12)，以及根据功率能力标准从所述使用单元(12)中选出一个使用单元(12)或使用单元的一个分组，其在能量交换(E)时保持不运行。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用单元(12)中的各一些使用单元组合为电路分支(11)，每个电路分支(11)经由直流电压转换器(14)和至少一个能电分离的开关单元(15)与汇流排装置(18)连接，以及在每个电路分支(11)中为每个使用单元(12)设有桥接电路(N11)，所述供能设备(10)经由汇流排装置(18)实施能量交换(E)，且所述控制装置(19)为了调节至少一个电气运行参量而控制所述直流电压转换器(14)和至少一个开关单元(15)以及每个电路分支(11)的桥接电路(N11)。
8.一种供能设备(10)，包括多个使用单元(12)，多个使用单元中的每个设置成产生或暂存电能，其特征在于，所述供能设备(10)的控制装置(19)设置成实施根据上述权利要求之一所述的方法。
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