CN113423604A - 用于基于移动式能量蓄存器将电能馈入能量网络的装置、方法和电缆 - Google Patents

用于基于移动式能量蓄存器将电能馈入能量网络的装置、方法和电缆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将电能馈入能量网络的装置，其中，该装置构造用于在来自第一能量源的能量和来自移动式能量蓄存器的能量之间进行切换。

Description

用于基于移动式能量蓄存器将电能馈入能量网络的装置、方 法和电缆
技术领域
本发明涉及一种用于基于移动式能量蓄存器将电能馈入能量网络的装置、一种用于将移动式能量蓄存器与能量网络连接的电缆以及一种用于运行该装置的方法。
背景技术
可用于外部能源网络、如独户和多户住宅或商业企业中的电池蓄存系统可作为完整系统购得并且必须固定安装在房屋或企业中。例如电动运行机动车中使用的移动式电池蓄存系统常常不用于其主要任务。因此它们实际上是未被利用的。与此相应地，产生如下任务：实现移动式能量蓄存器和外部能量网络的改善的集成。
发明内容
本发明由独立权利要求定义。从属权利要求涉及相应的扩展方案。
根据第一方面，本发明涉及一种用于将电能馈入能量网络的装置，其中，该装置构造用于在来自第一能量源的能量和来自移动式能量蓄存器的能量之间进行切换。
本发明的一个目的是将移动式能量蓄存器附加地用于外部能量网络。另一个目的是利用移动式能量蓄存器代替固定式能量蓄存器。
部分地，移动式能量蓄存器在日间仅被利用几个小时。例如如果移动式能量蓄存器设置在电动运输工具中，就可能是这种情况。因此，移动式能量蓄存器应用于外部能量网络的潜力是高的。但目前移动式能量蓄存器并不构造用于在外部能量网络中使用，即在它们主要应供电的电路、如运输工具电路之外使用。尤其是为此可能需要移动式能量蓄存器所没有的标准化和认证。相对地，许多外部能量网络已经具有借助移动式能量蓄存器运行所需的部件。当外部能量网络已经由分布式能量源馈电时，情况尤其如此。尤其是能量网络可已经具有逆变器、直流电接口和/或相应的安全装置。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于将能量馈入低压网络、尤其是家庭网络中。
低压网络用于将电能分配给终端用电器并给低压电器供电。因此，它们尤其是通过变压器由上级的中压网络馈电。
低压网络可构造为三线或四线系统。尤其是，低压网络用于实现单相用电器的供电。低压网络尤其是在100V至1000V的网络电压下运行。单个低压网络的电压可以是250、400、630或1000kVA。在欧洲以外，其它形式和工作电压也可能很常见。
低压网络尤其是也可以限制在一个地方，例如低压网络可以是独户住宅或多户住宅和/或一个或多个寓所的家庭网络。低压网络也可以是一艘船只的能量网络。低压网络可以是私人消费者的家庭网络。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于切换第一能量源的能量，该第一能量源是分布式能量源。
分布式能量源是不包括在公共能量网络中的能量源。分布式能量源尤其可以是私人能量源、尤其是风能源、太阳能源、如光伏设备、和/或水能源。尤其是未连接到公共电网的偏远地区处的独立网络，即较小、较少发电机的互连结构也构成本发明意义上的分布式能量源。同样，风力发电场和太阳能发电场也属于本发明意义上的分布式能量源。尤其是所述装置也可以是第一能量源的一部分和/或设置在与第一能量源相同的平台上。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于将能量从作为移动式能量蓄存器的高压蓄存器馈入能量网络。
本发明意义上的高压蓄存器可以是端电压大于40V、尤其是大于60V直流电压的电池。高压蓄存器也可以是构造用于驱动电动运输工具的能量蓄存器。一个高压蓄存器可由多个互连的蓄存单元组成。超级电容器和/或机械飞轮蓄存器也可以是高压蓄存器。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于将能量从设置在运输工具中的移动式能量蓄存器馈入能量网络。
本发明意义上的运输工具例如可以是配备有移动式电能蓄存器的轿车(Pkw)、载重车(Lkw)或摩托车。作为替代方案，本发明意义上的运输工具也可以是具有移动式电能蓄存器的船只。尤其是所述装置也可以是移动式能量蓄存器的一部分和/或设置在相同的平台上、尤其是机动车上。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述切换基于预定参数，尤其是根据时间、容量和/或负载进行。
例如所述装置可配置为，使得根据时间在日间将第一能量源的能量馈入能量网络。例如在日间光伏设备可作为第一能量源向能量网络提供能量。在夜间所述装置可配置为，使得所述装置将移动式能量蓄存器的能量馈入能量网络。因为如果例如第一能量源是光伏设备，则光伏设备在夜间通常不能提供显著的能量来给能量网络供电。因此，能量网络通常必须由其它能量源供电。当然，也可定义不同的时间相关性，在该时间相关性下从第一能量源切换到移动式能量蓄存器。
附加或替代地，可根据容量进行切换。例如所述切换可取决于第一能量源提供能量的能力和/或移动式能量蓄存器提供能量的能力。尤其是如果太阳辐射太低并且因此光伏设备不能提供足够的能量，则可从作为第一能量蓄存器的光伏设备切换到移动式能量蓄存器。
附加或替代地，也可根据负载进行切换。尤其是如果能量网络需要相应少的能量，则可切换到移动式能量蓄存器。附加或替代地，所述装置也可构造用于从第一能量源和移动式能量蓄存器向能量网络供应能量。如果能量网络的能量需求、即负载不能由第一能量源和/或移动式能量蓄存器单独覆盖，则这可以是特别有用的。
附加或替代地，可切换到移动式能量蓄存器并且因此给能量网络供应来自移动式能量蓄存器的能量，直到移动式能量蓄存器仅还具有预定的荷电状态。这对于通过电动汽车的移动式能量蓄存器运行家庭网络是特别有利的，只要确保运输工具仍可基于移动式能量蓄存器中包含的能量行驶预定的时间或预定的距离。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于避免移动式能量蓄存器的预定状态。
尤其是出于安全原因，所述装置不能在预定状态中运行。在此可能的是，所述装置构造用于从移动式能量蓄存器提取不超过预定量的能量，尤其是不允许来自移动式能量蓄存器或进入移动式能量蓄存器的电流超过预定电流。尤其是所述装置可包括接触器。该接触器可构造用于避免短路，尤其是当装置与移动式能量蓄存器之间的连接被建立或断开时。如上所述，预定状态也可包括低于移动式能量蓄存器的特定荷电容量。尤其是预定状态也可以是移动式能量源的如下电压或电压范围，不应低于所述电压或电压范围。
根据本发明的第一方面，所述装置构造用于在预定状态、尤其是优化状态中运行移动式能量蓄存器。
所述装置例如可构造用于这样运行能量蓄存器，使得从移动式能量蓄存器中提取最大的能量和/或功率或大致相应于最大能量(或功率)的能量(或功率)。这尤其是可基于电压-电流特性曲线(U-I特性曲线)进行。例如商用逆变器通常依据太阳能能量源或固定式能量蓄存器的电压-电流曲线。由此确保可从能量源或能量蓄存器中提取大量能量，而不会击穿能量源和/或损坏能量源或能量蓄存器。尤其是所述装置可包括多个不同的电压-电流曲线，其与不同的能量源或不同的能量蓄存器相配设。因此，在连接特定的能量蓄存器或特定的能量源时，尤其是在能量源或能量蓄存器加负载之前，可选择匹配的电压-电流曲线。这种选择尤其是也可自动进行，例如通过使装置获得关于连接的移动式能量源的信息。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于与外部装置交换信息。
所述装置为此可包括常见的无线和/或有线通信接口。无线通信接口可基于WiFi、蓝牙、Zigbee和/或2G、3G、4G、5G和/或类似的移动通信进行。有线通信接口可基于以太网和/或专业总线系统、如Profibus和/或Canbus实现。所述装置可构造用于与能量网络和/或移动式能量蓄存器通信，以便例如交换关于控制的信息、尤其是关于U-I特性曲线和/或其它运行参数的信息。
附加或替代地，所述装置可构造用于与家庭网络通信，尤其是为了获得关于家庭网络所需的能量需求的信息。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于从移动式能量蓄存器提取预定的功率变量。
本发明意义上的功率变量可涉及功率、电流、电压、电阻和/或能量。尤其是所述装置可构造用于以不超过家庭网络所需的功率变量的方式来运行移动式能量蓄存器。尤其是所述装置可构造用于获得关于能量网络的信息，例如基于能量网络的传感器和/或估计的信息，并基于获得的信息相应地控制或调节移动式能量蓄存器的功率变量。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于与逆变器相互作用，尤其是激活逆变器。
所述装置尤其是可构造用于与逆变器连接。逆变器可构造为，使得它们首先必须被激活，然后才能开始其运行。这例如可以是为了避免在逆变器不使用时造成不必要的电能损失。在这种情况下可能的是，必须用相应的信号、如预定的电流或预定的电压来激活逆变器。所述装置可构造用于向逆变器提供这样的激活信号。尤其是所述装置可构造用于相应地模拟用于激活逆变器的信号，该信号例如通常来自光伏设备，从而逆变器在获得信号时开始运行，即使能量是由移动式能量蓄存器提供的。这可以是有利的，因为本来就设置用于与第一能量源一起运行的逆变器于是可与所述装置一起使用。这例如可以涉及商用逆变器，其构造用于与光伏设备一起运行并且因此相应地也构造用于被该光伏设备“唤醒”。
尤其是所述装置可构造用于与商用逆变器相互作用。这种逆变器可以是针对能量网络的运行经认证的逆变器。附加或替代地，逆变器可被认证用于处理来自第一能量源、尤其是光伏设备的功率。
尤其是所述装置也可以是逆变器的一部分和/或设置在与逆变器相同的平台上。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于通过第一能量源和/或能量网络为移动式能量蓄存器充电。
由于移动式能量蓄存器、尤其是电动汽车的电池蓄存直流电，因此，如果能量源、如公共能量网络只提供交流电，就需要将交流电转换成直流电。对于电动运输工具在现有技术中存在两种可能性：要么运输工具中的车载充电器(AC充电)负责向直流电的转换并为电池充电。要么充电站中的整流器(DC充电)直接转换电流，然后给电动汽车的电池充电。根据充电方式，插头和插座也可以不同。
许多移动式能量蓄存器、如电动汽车中的电池都适合用于用交流电进行充电。运输工具的车载充电器为此将交流电转换为直流电。根据所安装的充电器，AC充电功率可变化。为了保护和与运输工具通信，现在仍需要AC充电站。AC充电站通常确保电动汽车在家中或在半公共场所(如企业场所或停车场)安全且舒适地充电。AC充电的插头类型尤其是可适用于家用插座、CEE插座或1型插头或2型插头。
对于移动式能量蓄存器，尤其是在某些电动汽车中，存在比AC充电更快的替代方案：直流电或DC充电站。在此，电流被直接充入电池中。如果能量由交流电源提供，则整流器安装在充电站中。部分地，这些充电站能实现高达250kW的高充电功率。但DC充电站比AC充电站昂贵得多并且因此主要用于公共区域。DC充电站的插头类型例如可以是CHAdeMO插头、CCS插头(Combo2插头)或特斯拉超级充电器的插头。
根据本发明的一种实施方式，可使用第一能量源的不需要的功率为移动式能量蓄存器充电，尤其是当第一能量源可提供的功率不完全需要用来给能量网络供电时。如果第一能量源提供直流电，则这可以是尤其有利的，因为这样可避免从交流电到直流电的额外整流，如在移动式能量蓄存器的典型充电器中进行的。在此情况下，第一能量源的功率直接传输到移动式能量蓄存器上。这种充电方式也在术语“DC充电”下已知。
尤其是由第一能量源提供的能量可被划分，使得一部分用于DC充电并且一部分通过所述装置馈入能量网络。
所述划分尤其是可基于一个或多个预定的参数进行。例如可这样进行划分，使得如此多的能量用于给移动式能量蓄存器充电，使得移动式能量蓄存器被优化地、尤其是在时间方面优化地充电。剩余的能量可用于给能量网络馈电。
尤其是所述装置的用于馈送来自移动式能量蓄存器的能量和/或用于从第一能量源为移动式能量蓄存器充电的DC接口可与用于从能量网络为移动式能量蓄存器充电的AC接口相结合。
尤其是用于连接所述装置的插头和/或插座可基于上述插头和/或插座之一。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于防止移动式能量蓄存器反向馈入第一能量源。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于控制移动式能量蓄存器是充电还是放电。
所述控制一方面可涉及DC充电或用来自移动式能量蓄存器的能量对能量网络的供电并且因此涉及对来自第一能量源和/或移动式能量蓄存器的能量的控制。
附加或替代地，所述控制可涉及通过能量网络、尤其是通过能量网络的逆变器进行的充电。这尤其可以是AC充电。
根据本发明第一方面的一种实施方式，所述装置构造用于连接到移动式能量蓄存器的接触器上。
尤其是，为此所述装置可包括电缆，该电缆基于上述插头和/或插座之一。尤其是，所述电缆还可包括根据一种或多种上述有线通信方法的通信信道。
根据本发明的第二方面，所述装置涉及一种用于运行根据本发明第一方面或第一方面的一种实施方式的装置的方法。
根据第三方面，本发明涉及一种用于将移动式能量蓄存器与能量网络和第一能量源连接的电缆。该电缆尤其是可经由根据第一方面或第一方面的一种实施方式的装置建立连接。
尤其是，所述电缆可基于上述插头之一和/或上述插座之一。尤其是，所述电缆可具有用于AC充电的三根芯线和用于DC充电和/或利用来自移动式能量蓄存器的能量为能量网络馈电的两根芯线。附加或替代地，所述电缆可具有通信信道，以实现有线通信。
附图说明
图1示出说明根据本发明的一种实施方式的装置的运行的框图。
图2示出用于说明根据本发明的另一种实施方式的装置和根据本发明的一种实施方式的电缆的运行的布置结构。
具体实施方式
图1示出说明具有根据本发明的一种实施方式的装置102的系统的运行的框图。该系统100包括光伏设备101，该光伏设备通常向逆变器103提供直流电U1_DC。直流电U1_DC通过逆变器转换成交流电U_AC并馈入低压网络，在此情况下馈入家庭网络104。家庭网络附加地连接到公共能量网络105，尤其是家庭网络所不需要的能量U2_AC可从光伏设备反向馈送到公共网络中。当然，如果光伏设备的能量不足以覆盖家庭网络的能量需求，也可使用来自公共能量网络的能量为家庭网络馈电。
为了更好地利用来自光伏设备的能量，可使用能量蓄存器，该能量蓄存器固定设置在家庭网络中并且在能量蓄存器中蓄存光伏设备的能量，如果家庭网络需要该能量的话。但这种能量蓄存器是昂贵的。
对此的一种替代方案是使用移动式能量蓄存器。如图1所示，该移动式能量蓄存器可以是设置在运输工具107中以使运输工具电动运行的移动式能量蓄存器。如在此所示，这种运输工具也可通过家庭网络104充电。例如这可通过家庭网络的交流电U1_AC来进行，于是设置在运输工具中的整流器将由家庭网络提供的交流电U1_AC转换为直流电U3_DC。整流器在本示例中可由框108表示，该整流器设置在运输工具107中。附加或替代地，也可使用已经在家庭网络中或通过连接在家庭网络上的、不属于运输工具的整流器将由家庭网络提供的交流电U1_AC转换为直流电U1_DC，用以给移动式能量蓄存器充电。
为了更有效地使用运输工具的移动式能量蓄存器107，尤其是在不需要运输工具时，根据本发明使用装置102。不仅移动式能量蓄存器107而且光伏设备101可连接到该装置上。所述装置构造用于在来自光伏设备的直流电U1_DC和来自移动式能量蓄存器的直流电U2_DC之间进行切换并相应使用来自光伏设备和移动式能量蓄存器的能量之一为家庭网络104馈电。此外，来自光伏设备101的能量和来自移动式能量蓄存器107的能量也可通过装置102共同馈送到家庭网络104中。装置102构造用于给已经位于家庭网络中的逆变器103提供直流电U_DC。不管能量是来自光伏设备还是移动式能量蓄存器，逆变器都将该能量转换为用于家庭网络的交流电压U_AC。
为了能够运行逆变器，装置102可模拟唤醒信号，以使逆变器从待机模式转变到运行模式中。如果光伏设备未通过装置102连接到逆变器103上，则该信号通常直接来自光伏设备。
此外，装置102可将关于从移动式能量蓄存器107提取能量的信息传送到逆变器103。从移动式能量蓄存器107提取能量的优化的能量提取可不同于从光伏设备101提取能量的优化的能量提取。尤其是电压-电流特性曲线可以不同。由于逆变器103是为光伏设备设置的，因此该逆变器只包括关于从光伏设备提取能量的信息，而没有关于移动式能量蓄存器107的运行的信息。该信息由装置102提供。
此外，装置102包括用于从家庭网络104接收传感器信息SENSOR的通信接口。传感器信息包括关于家庭网络104的当前能量需求的信息。通过该信息，装置102可这样调整来自移动式能量蓄存器的能量提取，使得从机动车的移动式能量蓄存器107中提取足够、但不过多的能量来运行家庭网络104。
图2示出用于说明根据本发明的一种实施方式的装置202和根据本发明的一种实施方式的电缆204的运行的布置结构200。首先示出现代家庭的布置结构200(Set-up)。电动运输工具206通过电缆204经由壁箱202连接到独户住宅203并且通常通过独户住宅的电网充电。独户住宅具有光伏设备201，该光伏设备为独户住宅203的电能需求提供能量U1_DC。独户住宅附加地连接到公共电能网络(未示出)上，光伏设备的不需要的能量可被馈入该公共电能网络，并且公共电能网络附加地提供能量来给独户住宅的电能网络馈电，例如当光伏设备提供的能量过少而不足以覆盖该能量需求时。
根据本发明的在此所示的实施方式，装置202设计为壁箱。装置202通过独户住宅的电能网络连接到光伏设备和公共能量网络上并且构造用于经由电缆204提供交流电U1_AC或直流电U3_DC来为运输工具206的移动式能量蓄存器充电。
此外，装置202构造用于从运输工具206的移动式能量蓄存器提取能量并将其通过光伏设备的逆变器(未示出)馈入独户住宅的能量网络。在此情况下，该能量是直流电U2_DC，其由移动式能量蓄存器提供，在此情况下由运输工具206的电池提供。该附图示出，仅用一根唯一的电缆就可将来自运输工具206的移动式能量蓄存器的能量U2_DC提供给独户住宅的电能网络并且可附加地将来自光伏设备的能量直接用于为移动式能量蓄存器充电(DC充电)。此外，运输工具可经由电缆由家庭网络充电(DC充电或AC充电)，例如利用来自光伏设备的能量充电，其先前已由逆变器转换为用于独户住宅电能网络的交流电，或利用来自公共电能网络的能量充电。此外，可经由电缆在家庭网络203、未示出的逆变器和/或光伏设备201与运输工具206的移动式能量蓄存器之间交换信息COM。
附图标记列表
100、200 本发明的运行环境
101、201 光伏设备
102、202 装置(本发明的实施方式)
103 逆变器
104、203 家庭网络
105 公共能量网络
107、206 具有移动式能量蓄存器的运输工具
108 用于移动式能量蓄存器的充电器
204 电缆(本发明的实施方式)
205 电缆的信号和能量通道。

Claims (17)

1.用于将电能馈入能量网络(104)的装置(102)，其中，该装置构造用于在来自第一能量源(101)的能量和来自移动式能量蓄存器(107)的能量之间进行切换。
2.根据前一项权利要求所述的装置，其中，所述能量网络(104)是低压网络、尤其是家庭网络。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，第一能量源(101)是分布式能量源。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述移动式能量蓄存器(107)是高压蓄存器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述移动式能量蓄存器(107)设置在运输工具中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述切换基于预定参数进行，尤其是根据时间、容量和/或负载进行。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置构造用于避免移动式能量蓄存器(107)的预定状态。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置构造用于在预定状态、尤其是优化状态中运行移动式能量蓄存器(107)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置构造用于与外部装置、尤其是能量网络(104)、第一能量源(101)和/或移动式能量蓄存器(107)交换信息。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置构造用于从移动式能量蓄存器(107)提取预定的功率变量。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置构造用于与逆变器(103)相互作用，尤其是激活逆变器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置构造用于通过第一能量源(101)和/或能量网络(104)为移动式能量蓄存器(107)充电。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置构造用于防止移动式能量蓄存器(107)反向馈入第一能量源(101)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置构造用于控制移动式能量蓄存器(107)是充电还是放电。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置构造用于连接到移动式能量蓄存器(107)的接触器上。
16.用于运行根据前述权利要求中任一项所述的装置的方法。
17.用于将移动式能量蓄存器(107)与能量网络(104)和第一能量源连接的电缆(204)，尤其是经由根据前述权利要求中任一项所述的装置将移动式能量蓄存器与能量网络和第一能量源连接。
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