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Die vorliegende Erfindung beschreibt Vorrichtungen und Verfahren zum Betrieb einer Energiespeicheranordnung variabler Zusammensetzung und einstellbarer Klemmenspannungen, -ströme und -impedanzen bestehend aus Energiespeicherzellen oder -modulen unterschiedlicher Bauart oder Energiespeicherkapazität.
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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft mehrere Verfahren und Vorrichtungen zur dynamischen Änderung der Verschaltung von Energiespeicherzellen oder -modulen gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche innerhalb einer Batterieanordnung mit dem Ziel, das Lade- und Entladeverhalten auf unterschiedliche Anforderungen hin zu optimieren. Insgesamt ergibt sich, dass der Einsatzbereich und die Lebensdauer eines Batteriesystems gegenüber dem Stand der Technik verbreitert bzw. erhöht werden kann.
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Ausgelöst durch die zunehmende Verknappung fossiler Primärenergieträger und die Dabatte zur Reduktion der Klimagasemissionen wird in der Industrie seit geraumer Zeit an Konzepten und Prototypen gearbeitet, die dazu dienlich sein sollen, zukünftig
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- • mehr dezentrale, aus erneuerbaren Energien gespeiste Kraftwerke (Wind, Photovoltaik, Biogas, ...) in das Stromnetz einzubinden.
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Zudem ist in der heutigen Gesellschaft zu beobachten, dass die alltägliche Verwendung tragbarer elektronischer Geräte (Laptops, Tablet-Computer, Elektrowerkzeuge, Smartphones, MP3-Player, GPS-Geräte, ...) immer weiter voranschreitet und in Verbindung mit der zunehmenden Verbreitung mobiler Datenverbindungen neue Dienstleistungen ermöglicht. In allen diesen Anwendungen werden wiederaufladbare Batterien unterschiedlichster Art und Weise als Energiespeicher benötigt. Es zeichnet sich somit ab, dass Batterien zukünftig als Energiespeicher eine bestimmende Rolle spielen werden und in vielen weiteren alltäglichen Anwendungen Einzug halten werden. Dementsprechend steigen die Anforderungen an Batterien und Batteriesysteme hinsichtlich Variabilität bzgl. der möglichen Ausgangsspannungen und Lade-/Entladeströme, der Energiekapazitäten, der Fähigkeiten schneller Leistungsabgabe und -aufnahme, der Dauerhaltbarkeit und -belastbarkeit, der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichten und der Total Cost of Ownership.
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Die Anwendungen der erfindungsgemäßen Batterie liegen insbesondere beim Elektroautomobil, bei Windenergieanlagen, Photovoltaikanlagen und weiteren dezentralen Einspeisern, insbesondere solche im Bereich erneuerbarer Energien, als Energiespeicher zur Pufferung und Bereitstellung von Regelleistung (Blindleistung), bei tragbaren Computern und bei Geräten der Unterhaltungselektronik. 7 zeigt zwei typische Anwendungsfälle nach Stand der Technik. Zum Erreichen einer gewünschten Ausgangsspannung werden einzelne Batteriezellen oder -module in Serie geschaltet, während zur Erhöhung der möglichen Stromtragfähigkeit Batteriezellen oder -module parallel geschaltet werden. Nachteil dieser Architektur ist, dass defekte oder geschwächte Batteriezellen oder -module, die Teil einer Reihenschaltung sind, alle weiteren Batteriezellen oder -module desselben Zweigs in ihrer Leistungsfähigkeit einschränken oder gar zum Ausfall der gesamten Reihenschaltung führen.
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DE 10 2009 000 674 A1 und
DE 10 2009 000 682 A1 beschreiben technische Lösungen, bei denen einzelne Batteriemodule beziehungsweise Zellen mit Vorrichtungen zur überbrückung und Trennung (
DE 10 2009 000 731 A1 ) ausgerüstet sind, wodurch die Freischaltung und somit der Austausch einzelner Batteriezellen oder -module möglich ist, ohne das gesamte Batteriesystem außer Funktion setzen zu müssen. Somit wird eine Steigerung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Energiespeichers erzielt, jedoch kann auch hierbei nicht auf nachgeschaltete Leistungselektronik wie beispielsweise Wechselrichter zur Speisung eines Wechselstromantriebs verzichtet werden.
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US6034506 beschreibt Schaltungen und Verfahren zur Anpassung der statischen Klemmenspannung eines Batteriesystems beim Lade- oder Entladevorgang. Mittels Schalter kann die Anzahl in Serie oder parallelgeschalteter Zellen auf die Anforderungen der Ladeschaltung bzw. des angeschlossenen Verbrauchers adaptiert werden. Nachteilig ist jedoch, dass dieses System nicht auf zusätzliche leistungselektronische Schaltungen verzichten kann, da die Änderungen der Batteriezellenkonfiguration statisch erfolgen.
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Ladezustandsausgleich oder ”Batteriezellen-Balancing” ist ein hochaktuelles Thema, um einheitliche Ladezustände in Reihenschaltungen aus Energiespeicherzellen zu erhalten oder wieder herzustellen. Hierbei wird versucht Freiheitsgrade, insbesondere unterschiedliche Ladezustände, im System einzuschränken oder zu beseitigen, sodass Batteriezellen möglichst uniformes Lade- und Entladeverhalten haben und in statischen Reihen- oder Parallelschaltungen elektrisch dauerhaft verbunden betrieben werden können.
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DE 10 2009 000 055 A1 beschreibt eine technische Lösung zur Homogenisierung der Ladezustände von Energiespeicherzellen innerhalb einer Serienschaltung durch gesteuertes Umladen von Energie aus Zellen mit hohem Ladezustand hin zu Zellen mit geringerem Ladezustand.
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Die Nichtpatentliteratur
"Handling Instructions for the lithium ion cell type HP 602030 LFP-38Ah/122Wh" vom 6. Mai 2010, Rev. 1, herausgegeben von der GAIA Akkumulatorenwerke GmbH, verbietet die Verwendung ihrer Lithium-Ionen Sekundärzellen in Energiespeicheranordnungen aus Energiespeicherzellen unterschiedlicher Bauart oder Energiespeicherkapazität.
Zitat (Kapitel 2, Seite 4):
”Cells with mixed capacities, dimensions, types or from different manufacturers must not be used in mixed form in any application.”
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Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen für eine Energiespeicheranordnung bereitzustellen, die aus Energiespeicherelementen uneinheitlicher Bauart und Energiespeicherkapazität aufgebaut werden kann und an ihren Klemmen je nach Ausführungsform konstanten Gleichstrom oder mehrphasige Wechselströme abgeben beziehungsweise aufnehmen kann. Durch intelligente dynamische Verschaltungsschemata innerhalb einer Energiespeicheranordnung wird erreicht, dass diese unterschiedliches elektrisches Klemmenverhalten aufweist. Damit realisiert die Energiespeicheranordnung das gleiche Klemmenverhalten wie Systeme, bei denen nach Stand der Technik eine Batterieeinheit mit nachgeschalteter Leistungselektronik zum Einsatz kommt, welche mit steigender Nennleistung des Gesamtsystems, das heißt Klemmenspannung, Stromtragfähigkeit und Kapazität selbst einen wichtigen Kostenfaktor darstellt. Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung erlaubt die Realisierung von Systemen, die bzgl. Gewicht, Effizienz, Lebensdauer, Integrationsgrad und Kosten Vorteile gegenüber den heute verfügbaren Systemen haben und nach dem heutigen Stand der Technik nicht darstellbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Besonders hervorzuheben ist dabei, daß bei Parallel- oder Reihenschaltung von mindestens zwei elektrischen Energiespeicherzellen oder -modulen unterschiedlicher Bauart, Energiespeicherkapazität oder momentanem Ladezustand (”heterogene Energiespeicheranordnung aus Energiespeicherelementen”) durch selektive, modulierte Zu- oder Abschaltung einzelner Energiespeicherzellen oder -module die Stromtragfähigkeit und Impedanz an den Anschlussklemmen von heterogenen Parallelschaltungen bestehend aus Energiespeicherzellen oder -modulen, beziehungsweise durch selektive, kurzschlussfreie, modulierte Überbrückung einzelner Energiespeicherzellen oder -module die Spannung und Impedanz an den Anschlussklemmen von heterogenen Reihenschaltungen bestehend aus Energiespeicherzellen oder -modulen von wenigstens einer Steuereinheit aus einstellbar ist.
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Einstellbare Klemmenspannung, Stromtragfähigkeit und -impedanz an den Anschlussklemmen zur Leistungsanpassung von speisenden oder gespeisten Vorrichtungen während Lade- und Entladevorgängen sind hierbei von Vorteil. Zudem ergibt sich vorteilhaft, daß durch die Variabilität der Reihenschaltung Energiespeicherzellen oder -module mit höherer Spannung bei der momentanen Verschaltungskonfiguration der Energiespeicherzellen oder -module bevorzugt werden können vor Energiespeicherzellen oder -modulen geringerer Spannung, um einen hohen momentanen Spannungsbedarf zu decken. Durch Bevorzugung einer oder mehrerer Energiespeicherzellen oder -module mit geringerer Spannung vor einer oder mehreren Energiespeicherzellen oder -modulen mit höherer Spannung kann dagegen ein kleiner momentaner Spannungsbedarf gedeckt werden. Entsprechendes gilt für die Einstellbarkeit der Stromtragfähigkeit bei Parallelschaltungen und der Impedanz bei Parallel- oder Reihenschaltungen.
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Vorteilhaft ist auch, daß bei Parallelschaltung von mindestens zwei heterogenen Energiespeicher-Reihenschaltungen dieser Energiespeicheranordnungen durch selektive Zu- oder Abschaltung einzelner Energiespeicherreihen die Stromtragfähigkeit und Impedanz an den Anschlussklemmen der Parallelschaltung von Reihenschaltungen varriiert werden kann. Durch die Variabilität der Parallelschaltung können Parallelzweige höherer Stromtragfähigkeit solchen geringerer Stromtragfähigkeit bei der momentanen Verschaltungskonfiguration der Zweige vorgezogen werden, um einen hohen momentanen Pulsstrombedarf zu decken, oder aber durch Wahl eines oder mehrerer Parallelzweige mit insgesamt geringerer Stromtragfähigkeit den maximalen Strom absichtlich zu begrenzen. Entsprechende Vorteile ergeben sich für Reihenschaltung von mindestens zwei heterogenen Energiespeicher-Parallelschaltungen bezüglich der selektiven, kurzschlussfreien Überbrückung einzelner Energiespeicherparallelzweige für die Spannung und Impedanz an den Anschlussklemmen der Reihenschaltung von Parallelschaltungen, die von wenigstens einer Steuereinheit eingestellt werden können.
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Hervorzuheben ist auch, daß der aktuelle Ladezustand und die aktuelle Energiespeicher-Klemmenspannung aller Energiespeicherzellen oder -modulen innerhalb der heterogenen Energiespeicheranordnung ermittelt wird, wodurch eine optimale Nutzung aller verfügbaren Freiheitsgrade der funktional zusammenhängenden Gesamtanordnung durch eine intelligente Steuerung ermöglicht wird und die vorhandene Spannungs-, Impedanz- und Stromtragfähigkeitsvielfalt der Zellen aufgrund ihrer uneinheitlichen Bauart und Ladezustände vorteilhaft genutzt wird.
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Als Vorteil ergibt sich darüberhinaus, daß die optimale Zusammensetzung einer
- • Parallel- oder Reihenschaltung von Energiespeicherelementen,
- • Reihenschaltung aus Parallelschaltungen von Energiespeicherelementen, oder
- • Parallelschaltung aus Reihenschaltungen von Energiespeicherelementen
ermittelt wird, um damit momentan zur Einstellung der Ziel-Klemmenspannung, -stromtragfähigkeit oder -impedanz - • nicht benötigte Energiespeicherelemente, oder
- • nicht benötigte Parallel- oder Reihenschaltungen von Energiespeicherelementen
bei Parallelschaltungen abzuschalten, beziehungsweise bei Reihenschaltungen zu überbrücken.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die systemimmanenten Freiheitsgrade, beispielsweise uneinheitliche Ladezustände und Energiespeicherspannungen von elektrischen Energiespeicherelementen innerhalb einer Energiespeicheranordnung aus mindestens zwei Energiespeicherelementen vorteilhaft und verzichtet vollständig auf Schaltungen oder Verfahren zum Erhalt oder zur Herstellung einheitlicher Ladezustände oder Energiespeicherspannungen unter den Energiespeicherelementen der Anordnung.
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Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß durch die unterschiedlichen Spannungen und Impedanzen der Energiespeicherzellen innerhalb einer Parallel- oder Reihenschaltung Soll-Klemmenspannungen, -ströme und -impedanzen durch gezieltes Zuschalten oder Überbrücken dieser Energiespeicherzellen, oder Reihen- oder Parallelschaltungen daraus, feiner einstellbar sind als bei Parallel- oder Reihenschaltungen aus Energiespeicherzellen mit einheitlichen Zellspannungen und Impedanzen, oder Reihen- oder Parallelschaltungen daraus.
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Vorteilhaft ist des Weiteren, daß die Wahl des Beanspruchungsgrades der jeweiligen Energiespeicherzelle gemäß der Energiespeicherkapazität der jeweiligen Energiespeicherzelle über mehrere Lade- und Entladezyklen hinweg ausgeglichen werden kann, sodaß Energiespeicherzellen geringerer Energiespeicherkapazität nicht mehr Lade- und Entladezyklen durchlaufen als Energiespeicherzellen höherer Energiespeicherkapazität. Hierdurch werden Energiespeicherzellen geringerer Energiespeicherkapazität entsprechend weniger belastet als Energiespeicherzellen höherer Energiespeicherkapazität, was zu einer gleichmäßigen Beanspruchung führt ohne einheitliche Energiespeicherzellen verwenden zu müssen oder den Ladezustand unter den Energiespeicherzellen durch zusätzliche Vorrichtungen ausgleichen zu müssen.
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Darüberhinaus ergibt sich zum Vorteil, daß auch die bauartbedingte Lebensdauer der einzelnen Energiespeicherzellen oder -module bei bei der Wahl des Beanspruchungsgrades der jeweiligen Energiespeicherzelle Berücksichtigung findet. Auf diese Weise wird den bauartbedingten Unterschieden der einzelnen Energiespeicherzellen oder -modulen Rechnung getragen und die Lebensdauer der Energiespeicheranordnung optimiert.
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Weiter ergibt sich vorteilhaft, daß durch Umpolung der Anschlussklemmen von Parallel- oder Reihenschaltungen bestehend aus abschaltbar oder kurzschlußfrei überbrückbaren Energiespeicherzellen oder -modulen unterschiedlicher Bauart oder Energiespeicherkapazität oder Energiespeicheranordnungen aus solchen Zellen oder Modulen, negative Spannungen, negative Ströme und gleichanteilfreie Wechselspannung oder -strom an den Anschlussklemmen bereitgestellt werden können. Der einstellbare Klemmenspannungsbereich einer variierbaren, heterogenen Energiespeicheranordnung wird dadurch verdoppelt.
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Vorteilhafterweise wird die positive Halbwelle einer Wechselspannungs- oder Wechselstromperiode an den Anschlussklemmen hinter der Umpolvorrichtung durch Ansteuern der Abschalt- oder Überbrückungsvorrichtungen einer heterogenen Energiespeicheranordnung gemäß eines entsprechenden Schaltmusters hervorgerufen, wonach das erneute Durchlaufen desselben Schaltmusters nach Erreichen des Nulldurchgangs am Ende der ersten Halbwelle und Umpolens der Anschlussklemmen zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs unter Annahme statischer Ladezustände der beteiligten Energiespeicher zu einem symmetrischen Kurvenverlauf für die negative Halbwelle und damit zu einer gleichanteilfreien Wechselspannung führt, welche sich zur Speisung eines Transformators oder Drehstrommotors eignet.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mehrphasige Wechselspannungen durch parallele und phasenversetzt betriebene, heterogene Energiespeicheranordnungen aus einzeln und unabhängig voneinander abschalt- oder überbrückbaren Energiespeicherzellen oder -modulen mit jeweils nachgeschalteter Umpolvorrichtung bereitgestellt werden können, wobei die Abschalt-, Überbrückungs- und Umpolvorrichtungen der einzelnen Phasen wahlweise von wenigstens einer Steuereinheit aus angesteuert werden können.
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Vorteilhaft ist des Weiteren, daß eine heterogene Reihen- oder Parallelschaltung aus wenigstens zwei Energiespeicherzellen oder -modulen vorliegt, bei der die einzelnen Einergiespeicherzellen oder -module in ihrer Bauart und Energiespeicherkapazität voneinander abweichen können. Durch die Variabilität des inneren Aufbaus einer heterogenen Energiespeicheranordnung kann diese auf Anwendungsfall und Beanspruchungsprofil optimal ausgelegt werden. Vorzugsweise können Kondensatoren oder Sekundärzellen unterschiedlicher Energiespeicherkapazität innerhalb derselben Reihen- oder Parallelschaltung eingesetzt werden.
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Des Weiteren ergibt sich vorteilhaft, daß einzelne Energiepeicherzellen oder -module der Reihen- oder Parallelschaltung von gleicher oder unterschiedlicher Bauart zu keiner Zeit den gleichen Ladezustand aufweisen müssen. Zusätzliche Vorrichtungen und Verfahren zum sogenannten Zellen-Balancing, also dem Ausgleich von ungleichen Ladezuständen einzelner Energiespeicherzellen, entfallen und Energie, Bauteile, Gewicht, Volumen und Kosten werden dadurch eingespart.
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Besonders hervorzuheben ist auch, daß jede(s) einzelne, in Reihe geschaltete Energiespeicherelement, oder in Reihe geschaltete Parallelschaltungen von Energiespeicherelementen, innerhalb der Reihenschaltung jeweils durch eine Überbrückungsvorrichtung kurzschlussfrei überbrückbar ist, wobei die Überbrückungsvorrichtung einen zu dem Energiespeicherelement oder der Parallelschaltung aus Energiespeicherelementen parallelen Strompfad bereitstellt.
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Hierdurch können einzelne Energiespeicherelemente oder Reihenschaltungen aus solchen zeitweise oder permanent aus einer Parallelschaltung herausgeschalten werden, ohne die verbleibenden Energiespeicherelemente oder Reihenschaltungen aus solchen dauerhaft stromfrei zu schalten.
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Vorteilhaft ist zudem, daß jedes einzelne, parallel geschaltetes Energiespeicherelement, oder parallel geschaltete Reihenschaltung von Energiespeicherelementen, innerhalb der Parallelschaltung durch eine Trennvorrichtung abschaltbar ist, welche in Serie zu den Energiespeicherelementen, oder der Reihenschaltungen von Energiespeicherelementen, angeordnet ist und dadurch den Strompfad auftrennt. Hierdurch können einzelne Energiespeicherelemente oder Parallelschaltungen von solchen zeitweise oder permanent aus einer Reihenschaltung herausgeschalten werden, ohne die Energiespeicherelemente selbst kurzzuschließen oder den Strompfad durch die Reihenschaltung aus verbleibenden Energiespeicherelementen, oder Parallelschaltungen von solchen, dauerhaft aufzutrennen.
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Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß die einzelnen Energiespeichermodule oder -zellen und die einzelnen Trenn- oder Überbrückungsvorrichtungen mit wenigstens einer Steuereinheit verbunden sind, wobei Informationen in mindestens eine Richtung mit der/den Steuereinheit(en) ausgetauscht werden können. Durch die informationstechnische Verbindung zwischen den Energiespeicherzellen, schaltbaren Elementen und der/den Steuereinheit(en) können die Betriebsparameter aller Energiespeicherelemente direkt ermittelt werden, anstatt diese Betriebsparameter indirekt über die Auswertung der Systemantwort auf eine Lastsprung- oder Impulsanregung zu ermitteln.
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Hervorzuheben ist auch, daß über Signale auf den Kommunikationsleitungen von wenigstens einer Steuereinheit aus die einzelnen Energiespeicherzellen oder -module unabhängig voneinander geschaltet oder überbrückt werden können, wodurch die Konfiguration von Parallel- oder Reihenschaltung beliebig erfolgen kann. Indem erfindungsgemäß jede Energiespeicherzelle oder -modul individuell und unabhängig innerhalb einer Reihenschaltung eingefügt oder aus dieser entfernt werden kann, ohne den Strompfad durch die Reihenschaltung der verbleibenden Zellen dauerhaft zu unterbrechen, führt dies zur Einstellbarkeit der Klemmenspannung und -impedanz der Reihenschaltung. Entsprechendes ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Zu- und Abschaltbarkeit von Energiespeicherzellen oder -modulen innerhalb von Parallelschaltungen für die Einstellbarkeit des Klemmenstroms und der Klemmenimpedanz der Parallelschaltung. Im Grenzfall, also wenn alle Zellen überbrückt werden, funktioniert eine Reihenschaltung als Kurzschluss, was vorteilhaft genutzt werden kann, beispielsweise um Motoren oder Generatoren magnetisch zu arretieren ohne dafür eine entsprechende, zusätzliche Vorrichtung bereithalten zu müssen. Entsprechend können die erfindungsgemäßen Parallelschaltungen den Grenzfall des Leerlaufs umsetzen, wobei durch Einsatz nur eines weiteren, steuerbaren Schaltelements in Serie zur Reihenschaltung oder parallel zur Parallelschaltung von Energiespeicherzellen oder -modulen die Parallel- wie die Reihenanordnung beide Grenzfälle abdecken kann.
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Außerdem kann die Klemmenspannung oder der Klemmenstrom einer heterogenen Energiespeicheranordnung jederzeit durch eine an deren Anschlussklemmen angebrachte Umpolvorrichtung aus Schaltelementen umgekehrt werden, wobei die Schaltelemente über Kommunikationsleitungen mit wenigstens einer Steuereinheit verbunden sind und von dieser gesteuert werden.
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Damit können mit minimalem Mehraufwand beliebige Wechselspannungen oder -ströme, auch gleichanteilfreie, durch eine variable, heterogene Energiespeicheranordnung bereitgestellt werden.
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Darüberhinaus kann sich die Kombination aus konfigurierbarer, heterogener Energiespeicheranordnung mit nachgeschalteter Umpolvorrichtung im selben Aufbau wiederholen, wobei alle Energiespeicherzellen oder -module und Schalt-, Trenn- und Überbrückungsvorrichtungen mit wenigstens einer Steuereinheit verbunden sind und mit dem Zweck der Bereitstellung von mehrphasigen, gleichanteilfreien Wechselspannungen oder -strömen an den Anschlussklemmen über Signale auf den Kommunikationsleitungen von der/den Steuereinheit(en) gesteuert werden. Durch eine wiederholte, parallele Anordnung konfigurierbarer, heterogener Energiespeicheranordnungen lassen sich mehrphasige Verbraucher speisen oder auch elektrische Energie aus mehrphasigen Erzeugern, wie Drehstromgeneratoren, direkt einspeichern, ohne zusätzliche Vorrichtungen wie Drehstromgleichrichter oder -wechselrichter.
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Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1. 1: Unterschiedliche Ausführungsformen von heterogenen Energiespeicherreihen
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1A zeigt eine beispielhafte Reihenschaltung aus sechs Energiespeicherelementen (1a..f) mit jeweils einer parallel geschalteten Überbrückungsvorrichtung, welche erfindungsgemäß über Kommunikationsleitungen (3) mit wenigstens einer Steuereinheit (2) verbunden sind. Die Spannung und Impedanz der Energiespeicheranordnung an den Anschlussklemmen (4) ist von wenigstens einer Steuereinheit (2) einstellbar. Es handelt sich um heterogene Energiespeicheranordnungen 1. Ordnung, da nur Energiespeicherelemente in einer der zwei Grundanordnungen (Parallel- oder Reihenschaltung) zusammengeschaltet sind.
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1B zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Energiespeicherzellen mit den jeweiligen Überbrückungsvorrichtungen in Modulen zusammengefasst sind.
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1C zeigt eine weitere alternative Ausführungsform, bei der alle Überbrückungsvorrichtungen an die die Energiespeicherzellen angeschlossen werden in einer Vorrichtung zusammengefasst sind.
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2. 2: Beispielhaftes Schaltmuster
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2 zeigt ein beispielhaftes Schaltmuster für die Überbrückungsvorrichtungen eine heterogenen Reihenschaltung aus sechs Energiespeicherzellen. Hierbei wird ein Reservefaktor RF definiert, der aus der Anzahl aller Zellen n und der Anzahl von Reservezellen r (in 2 r = 1) bestimmbar ist aus. RF = n / n – r. (1)
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Für n Energiespeicherzellen einer Reihenschaltung unterschiedlicher Energiespeicherkapazität aber gleicher Bauart und damit gemeinsamer Nennspannung
ergibt sich demnach die Nennspannung der Reihenschaltung
durch
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Der Anteil α
Z einer einzelnen Zellenspannung U
Z an der Reihen-Nennspannung in % ergibt sich aus
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Die Summe der Anteile aller nicht-überbrückten Energiespeicherzellen mit Anzahl i ergibt die resultierende, momentane, relative Reihenspannung an den Anschlussklemmen u
R,rel in %
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Die Auslastung A in % einer einzelnen Zelle über einem Zeitintervall T ergibt sich aus dem Quotient aus nicht-überbrückter Zeit T
on und T.
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Entsprechendes gilt für Parallelschaltungen.
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3. 3: Beispielhafter Klemmenspannungsverlauf
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Das in 2 gezeigte Schaltmuster führt an den Anschlussklemmen zu einem dreieckförmigen Spannungsverlauf wie in 2 gezeigt. Der Mittelwert ist strichliert eingezeichnet und ergibt sich durch Verwendung eines nachgeschalteten Tiefpaßfilters geeigneter Auslegung. Die Zeitschritte sind äquidistant gezeichnet, können aber uneinheitlich sein.
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4. 4: n-fache Wiederholung variabler, heterogener Energiespeicherreihen mit nachgeschalteter Umpolungsvorrichtung
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4 zeigt eine mehrfache Wiederholung von variablen, heterogenen Energiespeicherreihen (8) mit Umpolungsvorrichtungen (5) zur Bereitstellung mehrphasiger Wechselspannungen oder -strömen an den Anschlussklemmen (7). Die Schaltelemente (6) der Umpolvorrichtungen sind über Kommunikationsleitungen (3) mit wenigstens einer Steuerung (2) verbunden und werden von dieser/diesen gesteuert. Alternative Ausführungsformen vereinen die Umpolvorrichtungen der einzelnen Phasen innerhalb derselben Vorrichtung oder integrieren die Schaltelemente (6) in die Energiespeicheranordnung (8).
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5. 5 zeigt eine Reihenschaltung von heterogenen Parallelschaltungen aus Energiespeicherelemente. Es handelt sich um heterogene Energiespeicheranordnungen 2. Ordnung, da die Grundanordnung der Parallelschaltung von Energiespeicherelementen in einer weiteren Grundanordnung, hier der Reihenschaltung, zusammengeschaltet sind.
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6. 6 zeigt in B und D die zwei elementarsten Anordnungen 1. Ordnung aus Energiespeicherelement (15) und Schalt- (16) oder Überbrückungvorrichtungen (17). 6A zeigt ein Grundelement einer Parallelschaltung mit Abschaltvorrichtung (16), 6B zeigt ein Grundelement einer Reihenschaltung mit Überbrückungsvorrichtung (17), 6C zeigt eine minimale Parallelschaltung aus zwei Energiespeicherzellen mit je einer Abschaltvorrichtung (16) und einer gemeinsamen Überbrückungsvorrichtung (17), 6 D zeigt eine minimale Reihenschaltung aus zwei Energiespeicherzellen mit je einer Überbrückungsvorrichtung (17) und einer gemeinsamen Abschaltvorrichtung (16).
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7. 7 zeigt den Stand der Technik, 7A einen Photovoltaikgenerator (9) mit nachgeschaltetem Laderegler (10) zur Aufladung einer Batterieanordnung (11) aus statisch verschalteten Energiespeicherzellen (12), 7B einen elektrischen Antrieb (14), der über einen Wechselrichter (13) aus einer Batterieanordnung (11) mit Energie versorgt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- Energiespeicherelement, beispielhaft mit 90% Ladezustand
- 1b
- Energiespeicherelement, beispielhaft mit 80% Ladezustand
- 1c
- Energiespeicherelement, beispielhaft mit 50% Ladezustand
- 1d
- Energiespeicherelement, beispielhaft mit 60% Ladezustand
- 1e
- Energiespeicherelement, beispielhaft mit 70% Ladezustand
- 1f
- Energiespeicherelement, beispielhaft mit 40% Ladezustand
- 2
- Steuereinheit
- 3
- Kommunikationsleitung(en)
- 4
- Anschlussklemmen der variablen, heterogenen Energiespeicheranordnung
- 5
- Umpolungsvorrichtung
- 6
- Schaltelement zur Umpolung
- 7
- Anschlussklemmen der Umpolungsvorrichtung
- 8
- Variable, heterogene Energiespeicheranordnung
- 9
- Photovoltaik-Generator
- 10
- Solar-Laderegler
- 11
- Batterieanordnung aus statisch verschalteten Sekundärzellen
- 12
- Sekundärzellen einheitlicher Energiespeicherkapazität
- 13
- Wechselrichter
- 14
- Elektrischer Antrieb
- 15
- Energiespeicherelement
- 16
- Abschaltvorrichtung
- 17
- Überbrückungsvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000674 A1 [0006]
- DE 102009000682 A1 [0006]
- DE 102009000731 A1 [0006]
- US 6034506 [0007]
- DE 102009000055 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Handling Instructions for the lithium ion cell type HP 602030 LFP-38Ah/122Wh” vom 6. Mai 2010, Rev. 1 [0010]
durch
