DE102011017597A1

DE102011017597A1 - Energiespeichervorrichtung, umfassend mehrere Speichermodule für elektrische Energie

Info

Publication number: DE102011017597A1
Application number: DE102011017597A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hahn; Wolfgang Weydanz; Dieter Fischer; Uwe Krebs; Holger Leu; Jean-Philippe Macary; Andreja Rasic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2012-10-31
Also published as: WO2012146463A1

Abstract

Energiespeichervorrichtung (1), umfassend mehrere Speichermodule (6) für elektrische Energie, die jeweils an eine Kondensatoreinheit (5) eines einem Umrichter (2) zugehorigen Umrichtersubmoduls (4) zum Laden oder Entladen wenigstens eines Speichermoduls (6) uber wenigstens einen ansteuerbaren Gleichspannungssteller (7) angekoppelt sind, welcher Gleichspannungssteller (7) zum Umwandeln einer an der Kondensatoreinheit (5) anliegenden Kondensatorspannung in eine Ladespannung, die zum Laden des Speichermoduls (6) erforderlich ist, und zum Umwandeln einer beim Entladen an dem Speichermodul (6) anfallenden Entladespannung in die Kondensatorspannung ausgebildet ist, wobei eine zentrale Steuereinrichtung (11) vorgesehen ist, die zur Ansteuerung der einzelnen Gleichspannungssteller (7) unter Berucksichtigung von Betriebsdaten aller Speichermodule (6) und externer Anforderungsdaten (12) ausgebildet ist, und/oder jeder Kondensatoreinheit (5) und/oder jedem Gleichspannungssteller (7) eine Steuereinheit (8) zugeordnet ist, die für wenigstens zwei in einer ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterschiedliche Speichermodule (6) modulspezifisch konfigurierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, umfassend mehrere Speichermodule fur elektrische Energie, die jeweils an eine Kondensatoreinheit eines einem Umrichter zugehörigen Umrichtersubmoduls zum Laden oder Entladen wenigstens eines Speichermoduls über wenigstens einen ansteuerbaren Gleichspannungssteller angekoppelt sind, welcher Gleichspannungssteller zum Umwandeln einer an der Kondensatoreinheit anliegenden Kondensatorspannung in eine Ladespannung, die zum Laden des Speichermoduls erforderlich ist, und zum Umwandeln einer beim Laden an dem Energiespeicher anfallenden Entladespannung in die Kondensatorspannung ausgebildet ist.
Elektrische Energiespeichervorrichtungen werden zunehmend wichtiger, speziell in Bereichen außerhalb der Konsumentenelektronik bzw. Unterhaltungselektronik. Energiespeichervorrichtungen großerer Kapazitat sind bereits zum Einsatz in Kraftfahrzeugen und auch fur stationare Speicher in Netzen vorgeschlagen worden. Damit wird auch eine intelligente Einbindung von Energiespeichern in elektrische Netze, speziell als dezentrale Energiespeichervorrichtungen oder Speicher in Inselnetzen, immer wichtiger.
Ein Umrichter mit Umrichterventilen bzw. Umrichterarmen, die eine Reihenschaltung aus Submodulen zum Laden oder Entladen eines Energiespeichers aufweisen, ist aus der nachveroffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen PCT/EP/2009/065491 bekannt. Ein dort beschriebenes Submodul zum Laden oder Entladen eines Energiespeichers weist eine Kondensatoreinheit und eine Leistungshalbleiterschaltung auf, die an- und abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist. Die Kondensatoreinheit und die Leistungshalbleiterschaltung sind so miteinander verbunden, dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Leistungshalbleiterschaltung wenigstens die an der Kondensatoreinheit abfallende Spannung oder eine Nullspannung an Ausgangsklemmen des Submoduls erzeugbar ist. Die dort beschriebene Grundidee ist es nun, dass der Energiespeicher uber einen Gleichspannungssteller an das Submodul angeschlossen werden kann, wobei der Gleichspannungssteller mit der Kondensatoreinheit verbunden ist und zum Umwandeln einer an der Kondensatoreinheit abfallenden Kondensatorspannung in eine Ladespannung, die zum Laden des Energiespeichers erforderlich ist, und zum Umwandeln einer beim Entladen an dem Energiespeicher abfallenden Entladespannung in die Kondensatorspannung eingerichtet ist. Als Energiespeicher kann dabei beispielsweise ein Akkumulator vorgesehen werden.
Probleme bei solchen Energiespeichereinrichtungen bzw. großeren Speichersystemen, bei denen die Speicherung elektrischer Energie letztlich dezentral in mehreren Speichermodulen stattfindet, treten insbesondere aufgrund der Zahl der Speichermodule auf.
Selbst wenn die Speichermodule zu Beginn der Lebensdauer einheitlich ausgelegt werden konnen, ist dies mit zunehmender Alterung nicht mehr der Fall. Die Streuung von Einzelzellen der Speichermodule kann dabei beispielsweise bei 5% oder mehr liegen. Nach Alterung, das bedeutet Betrieb, und damit unterschiedlicher Erwarmung einzelner Zellen nach Position im Modul (Kuhlung) und Betriebsbedingungen kann es zu einem noch stärker unterschiedlichen Verhalten der einzelnen Speichermodule kommen. Beim Aufbau großer Energiespeichervorrichtungen bzw. Systeme werden heute haufig nur sehr ahnliche Zellen für ein Speichermodul bzw. das Gesamtsystem verwendet, was zu einem größeren Sortierungsaufwand fuhren kann. Es wird ferner gewunscht, dass aus Berührschutzgründen (Sicherheit von Bedienpersonen und gesetzliche Anforderungen) Einzelmodule von beispielsweise maximal 60 V oder 120 V Spannung verwendet werden sollen, die ohne deutlich erhöhte Sicherheitsanforderungen transportiert und gehandhabt werden konnen. Einzelmodule mit höheren Spannungen erfordern in Transport und Handhabung speziell geschultes Personal und technisch teilsweise aufwendige Sicherheitsvorkehrungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Energiespeichervorrichtung anzugeben, in der Speichermodule unterschiedlicher Lade- und Entladeeigenschaften, speziell unterschiedlichen Innenwiderstands, Kapazitat, Alterungs- und Gesundheitszustand, eingesetzt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Energiespeichervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine zentrale Steuereinrichtung vorgesehen ist, die zur Ansteuerung der einzelnen Gleichspannungssteller unter Berücksichtigung von Betriebsdaten aller Speichermodule und externer Anforderungsdaten ausgebildet ist, und/oder jeder Kondensatoreinheit und/oder jedem Gleichspannungssteller eine Steuereinheit zugeordnet ist, die für wenigstens zwei in einer ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterschiedliche Speichermodule modulspezifisch konfigurierbar ist.
Nachdem es im Stand der Technik, insbesondere bezuglich der bereits eingangs zitierten nachveroffentlichten PCT/EP/2009/065491 bereits vorgeschlagen wurde, eine modulare Losung zu schaffen, die es erlaubt, eine Energiespeichervorrichtung in unterschiedliche Speichermodule zu unterteilen, wobei konkret ein Marquardt-Mehrstufenumrichter eingesetzt wurde, war es dort jedoch grundsatzlich nötig, gleiche Speichermodule einzusetzen. Mit der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere auch für allgemeine Umrichterkonzepte, erstmals möglich, gezielt sich unterscheidende Speichermodule einzusetzen oder den Auswirkungen zeitlicher Veranderungen nach Alterung der Speichermodule entgegenzuwirken.
Dazu werden zwei bevorzugt kumulativ eingesetzte Maßnahmen vorgeschlagen, nämlich zunächst, jedem Gleichspannungssteller, uber den ja ein Speichermodul angeschlossen wird, eine Steuereinheit zuzuordnen, die modulspezifisch und/oder modultypspezifisch konfigurierbar ist. Das bedeutet konkret, dass die Steuereinheit, die auch als Batteriemanagement-Einheit bezeichnet werden kann, nicht speziell auf ein bestimmtes Speichermodul abgestimmt ist, sondern von vornherein in der Energiespeichervorrichtung vorgesehen ist, unterschiedliche Speichermodule zu benutzen, seien es vollkommen unterschiedliche Modultypen oder lediglich vom Alterungszustand her unterschiedliche Speichermodule (insbesondere im Rahmen von so genannten Second-Life-Szenarien). Es ist also moglich, in der Energiespeichervorrichtung auch gezielt unterschiedliche Modultypen zu verwenden, wobei sich Modultypen, insbesondere unterschiedliche Modelle von Speichermodulen, von Haus aus in einer ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterscheiden, für unterschiedliche Modultypen also insbesondere in ihrem Speicherprinzip und/oder ihrer Speicherkapazität und/oder ihrer Spannungslage und/oder der Chemie ihres Speicherprozesses und/oder ihrer Leistungsfähigkeit bzw. ihrem Innenwiderstand. Letztlich ist es also moglich, einen in der Steuereinheit eingesetzten Regelalgorithmus an die tatsächlich verwendeten Speichermodule anzupassen, was insbesondere aufgrund der Verwendung der Gleichspannungssteller, welche beispielsweise als Hochsetzsteller und/oder Tiefsetzsteller ausgebildet sein können, moglich ist. Die Gleichspannungssteller ermoglichen ausgangsseitig ein erhebliches Spannungsspektrum abzudecken, das nach Bedarf sogar flexibel an leicht veranderte Gegebenheiten bzw. Netzumgebungen individuell angepasst werden kann. Insbesondere kann jedoch die Art des Betriebes des Gleichspannungsstellers, der uber die Steuereinheit angesteuert wird, konkret für den an ihm angeschlossenen Speichermodultyp bzw. das konkret angeschlossene Speichermodul konfiguriert werden.
Durch Verwendung von Gleichspannungsstellern, insbesondere Hochsetzstellern, bevorzugt mit hoher Effizienz, kann mithin erreicht werden, dass beispielsweise die Spannungslage der Speichermodule, welche aus in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen bestehen können, nicht mehr notwendigerweise gleich sein muss. Vielmehr konnen unterschiedliche Speichermodule verwendet werden, wobei insbesondere auch unterschiedliche Zellchemien in den Speichermodulen zum Einsatz kommen können.
Ein weiterer, besondere Vorteile mit sich bringender Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer zentralen Steuereinrichtung, die zur Ansteuerung der einzelnen Gleichspannungssteller, gegebenenfalls zusätzlich der Speichermodule selbst, unter Berücksichtigung von Betriebsdaten aller Speichermodule und externer Anforderungsdaten, beispielsweise einer Leistungsanforderung, ausgebildet ist. Es wird mithin ein ganzheitliches Ansteuerungskonzept für die Energiespeichervorrichtung vorgeschlagen, welches nicht nur in der Lage ist, beispielsweise unterschiedliche aktuelle Eigenschaften, wie beispielsweise den aktuellen Ladezustand, der einzelnen Speichermodule zu berücksichtigen, sondern auch auf die Eigenschaften unterschiedlicher verwendeter Speichermodule einzugehen, welche dann je nach ihren Eigenschaften genutzt werden können. Bei einer hohen, schnell benötigten Leistungsanforderung konnen beispielsweise Speichermodule mit passenden Eigenschaften bevorzugt entladen werden und dergleichen. Doch auch daruber hinaus bietet die Verwendung einer zentralen Steuereinrichtung Vorteile, so dass beispielsweise für einen Teil der Speichermodule Wartungs- und/oder Messzyklen vorgesehen sein konnen, wobei die Leistungsanforderungen bzw. eine eingehende Leistung zunächst von anderen Speichermodulen gestellt bzw. genutzt werden konnen. Durch eine derartige Gesamtregelung unter Berücksichtigung einer insbesondere heterogenen Gesamtausbildung der Energiespeichervorrichtung durch Verwendung unterschiedlicher Speichermodule ergibt sich eine hohe Flexibilitat und eine Vielzahl von Moglichkeiten, beispielsweise die Lebensdauern von Speichermodulen zu verlängern, Reaktionszeiten der Energiespeichervorrichtung auf geanderte Leistungsanforderungen zu optimieren und dergleichen. Hierauf wird im Folgenden noch naher eingegangen werden.
Allgemein bleibt jedoch nochmals festzuhalten, dass es bei der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung also erstmals möglich ist, gezielt unterschiedliche Speichermodule, insbesondere unterschiedliche Speichermodultypen, zu verwenden. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass sich wenigstens zwei Speichermodule in einer ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterscheiden, insbesondere in ihrem Speicherprinzip und/oder ihrer Speicherkapazitat und/oder ihrer Spannungslage und/oder der Chemie ihres Speicherprozesses und/oder ihrem Alterungszustand und/oder ihrer Leistungsfahigkeit.
Insbesondere können in dem Sinne unterschiedliche Speichermodultypen vorgesehen werden, dass die Speichermodule eine Lithium-Ionen-Batterie und/oder eine Lithium-Polymer-Batterie und/oder eine Blei-Batterie und/oder eine Nickel-Kadmium-Batterie und/oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie und/oder eine Hochtemperaturbatterie, insbesondere eine Natrium-Schwefel-Batterie und/oder eine ZEBRA-Batterie und/oder eine Metall-Luft-Batterie, und/oder eine Redox-Flow-Batterie und/oder einen Superkondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator und/oder einen Hybridkondensator, umfassen, insbesondere wenigstens zwei Speichermodule aus dieser Gruppe. Es ist also denkbar, die verschiedensten Arten von Batterien und sonstigen Speichermodulen in einer einzigen dezentralen elektrischen Energiespeichervorrichtung einzusetzen, wobei an dieser Stelle noch angemerkt sei, dass die Spannungslage der einzelnen Speichermodule dabei jeweils so gewahlt werden kann, dass sie über den Gleichspannungssteller in ein vorher festgelegtes Spannungsfenster fixiert wird. Das bedeutet also, es kann bereits grundlegend ein Spannungsfenster definiert werden, innerhalb dessen sich die Spannungslage der Speichermodule bewegt. Auf diese Weise ist es moglich, die Spannungslage lokal so zu beschränken, dass global für die gesamte elektrische Energiespeichervorrichtung vorgesehene Spannungsgrenzen eingehalten werden können.
Durch den gegebenen modularen Aufbau der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung kann dabei nicht nur jedem Umrichtersubmodul ein anderer Speichermodultyp zugeordnet werden, sondern es ist auch denkbar, Speichermodule zu verwenden, die einen unterschiedlichen Alterungszustand aufweisen, welcher sich beispielsweise in einer geanderten Kapazitat, Spannung bzw. zulässigem Lade- bzw. Entladestrom äußern kann. Dies offnet die Möglichkeit, so genannte „Second-Life-Szenarien” zu realisieren, in denen beispielsweise bereits benutzte (gebrauchte) Speichermodule, die eine veränderte Leistungsfahigkeit aufweisen, weiterhin eingesetzt werden. Zusätzlich kann so eine gewisse Redundanz geboten werden oder es können Spezialaufgaben erfullt werden. So ist es beispielsweise denkbar, insbesondere in Form eines bestimmten Umrichterarms, regelrechte „Opferstrange”, das bedeutet, einzelne Gruppen von bereits genutzten Speichermodulen in einem älteren Zustand, einzusetzen, die bei besonders hohen Belastungen, die neuere Speichermodule schädigen würden, insbesondere durch die zentrale Steuereinrichtung gesteuert bevorzugt eingesetzt werden, um Schaden von den neueren (und damit wertvolleren) Speichermodulen abzuwenden. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, bei extremen Leistungsanforderungen oder dergleichen uber die zentrale Steuereinrichtung sozusagen eine „verteilte Schadigung bzw. Alterung” zu realisieren.
Wie bereits erwahnt, ist es moglich, dass ein Speichermodul aus mehreren Einzelzellen aufgebaut sein kann. Dann ist es auch moglich, dass die aus mehreren Speicherzellen bestehenden Speichermodule eine Speichermodulbetriebseinheit umfassen, welche Speichermodulbetriebseinheit die Speicherzellen und ihren Lade- und Entladebetrieb so regelt, dass die Speicherzellen in einem bestimmten Temperaturbereich und/oder in einem bestimmten Spannungsbereich betrieben werden und/oder ein Ladungsausgleich zwischen den Speicherzellen stattfindet. Insbesondere bei in Reihe geschalteten Speicherzellen ist in das Speichermodul noch ein elektronisches Managementsystem, die Speichermodulbetriebseinheit, integriert, das den sicheren Betrieb des Speichermoduls bzw. jeder Einzelspeicherzelle des Speichermoduls in einem vorgegebenen Temperatur- und Spannungsfenster ermoglicht. Dieses Management kann ebenso einen ladungsmäßigen Ausgleich zwischen den Speicherzellen des Speichermoduls durchfuhren, so genanntes „balancing”.
Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass – realisierbar uber die Speichermodulbetriebseinheit, die Steuereinheit und/oder die Steuereinrichtung selbst, auch die Abschaltbedingungen der Speichermodule standig uberwacht werden konnen, beispielsweise ob das Speichermodul voll geladen bzw. voll entladen ist, das bedeutet, die maximale oder minimale Spannung des Speichermoduls erreicht ist. Dann kann der Energieaustausch zwischen dem Speichermodul und der Kondensatoreinheit uber eine entsprechend geschickte Ansteuerung des Umrichtersubmoduls, konkret insbesondere des Gleichspannungsstellers, unterbunden werden und das entsprechende Umrichtersubmodul agiert dabei letztlich als „herkommliches” Umrichtersubmodul, beispielsweise als herkömmliches Marquardt-Mehrstufenumrichtersubmodul, also als ein Umrichtersubmodul, an dem kein Speichermodul angeschlossen ist.
Die Speichermodulbetriebseinheit kann dabei in einer Steuereinheit integriert sein, wobei an dieser Stelle noch angemerkt sei, dass sich die Konzepte zur Steuerung solcher aus Einzelzellen bestehender Speichermodule auch auf großere Maßstäbe übertragen lassen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass dann, wenn mehrere Speichermodule an einer Kondensatoreinheit oder einem Umrichtersubmodul angeschlossen sind, die Steuereinheit die Speichermodule und ihren Lade- und Entladebetrieb so regelt, dass die Speichermodule in einem bestimmten Temperaturbereich und/oder in einem bestimmten Spannungsbereich betrieben werden und/oder ein Ladungsausgleich zwischen den Speichermodulen stattfindet. Auf diese Weise kann also beispielsweise das „balancing” auch auf mehrere an einer Kondensatoreinheit angeschlossene Speichermodule übertragen werden, wobei es selbstverständlich auch denkbar ist, die beschriebenen Konzepte auf die Steuereinrichtung selbst anzuwenden, so dass beispielsweise ein „balancing” auch über alle Speichermodule der Energiespeichervorrichtung realisiert werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Umrichter ein Mehrstufenumrichter und/oder ein Umrichter ohne Zwischenkreis, insbesondere mit einem dezentralen Zwischenkreis, und/oder ein Mehrpunktumrichter ist. Der entsprechende Umrichter setzt sich dabei, wie bereits beschrieben, aus mehreren Umrichtersubmodulen zusammen, die beispielsweise mit ihren Speichermodulen auf die Phasen verbindenden oder einzelnen Phasen zugeordneten Umrichterarmen angeordnet sein können.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Umrichter ein Mehrpunktumrichter, insbesondere ein Dreipunktumrichter, mit wenigstens drei verschiedenen, insbesondere die Phasen verbindenden Armen ist, wobei auf jedem Arm mindestens ein Umrichtersubmodul vorgesehen ist. Möglich ist es also beispielsweise, einen Dreiecksumrichter zu realisieren, wobei die Speichermodule zwischen den Phasen arrangiert sind. Analoges gilt beispielsweise fur Mehrpunktumrichter.
In spezieller, vorteilhafter Ausgestaltung kann dabei beispielsweise eine elektrische Energiespeichervorrichtung realisiert werden, die wenigstens einen Dreipunkt-Umrichter mit Umrichtersubmodulen mit entsprechenden Gleichspannungsstellern (die letztlich DC-DC-Wandlern entsprechen), umfasst. Dabei kann beispielsweise auf jedem verschiedene Phasen verbindenden Arm des Dreipunktumrichters eine gleiche Topologie vorgesehen werden, die beispielsweise jeweils ein Umrichtersubmodul umfasst, an das uber zwei Gleichspannungssteller zwei Speichermodule angeschlossen werden können, so dass sich insgesamt zwei Speichermodule pro Phase ergeben. Der Aufbau pro Phase ist idealerweise, aber nicht notwendigerweise bezuglich der Auslastung symmetrisch gewahlt und die Energiespeichermodule pro Phase sind idealerweise gleich ausgestaltet. Dieser symmetrische Aufbau muss jedoch nicht fur die verschiedenen Phasen bzw. Arme gelten.
Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Umrichter durchaus dezentrale Zwischenkreise aufweisen konnen, die dann in den Umrichtersubmodulen realisiert sind.
Wie bereits erwahnt wurde, kann auch in einer konkreten, bevorzugten Ausfuhrungsform vorgesehen sein, dass der Umrichter ein Marquardt-Mehrstufenumrichter ist. Mögliche Realisierungen eines Marquardt-Mehrstufenumrichters, an den mehrere Speichermodule angeschlossen werden können, sind beispielsweise in der bereits erwahnten nachveröffentlichten PCT/EP/2009/065491 offenbart. Erstmals beschrieben wurde der Marquardt-Mehrstufenumrichter in der DE 101 030 31 B1 , wobei der dort beschriebene Umrichter über Umrichterventile (Umrichterarme) verfugt, die eine Bruckenschaltung ausbilden. Dabei erstreckt sich jedes Umrichterventil zwischen einem Wechselspannungsanschluss zur Verbindung des Umrichters mit einem Wechselspannungsnetz und einem Gleichspannungsanschluss. Jedes Ventil verfugt über eine Reihenschaltung aus bipolaren Submodulen, die jeweils eine Kondensatoreinheit aufweisen, die parallel zu einer Leistungshalbleiterschaltung geschaltet ist. Die beiden Anschlussklemmen eines jeden Submoduls sind einmal mit der Kondensatoreinheit und einmal mit dem Potentialpunkt zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern verbunden, denen jeweils eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Auf diese Weise kann an den beiden Anschlussklemmen eines jeden Submoduls entweder eine Nullspannung oder aber die an der Kondensatoreinheit abfallende Kondensatorspannung erzeugt werden. So ist ein so genannter mehrstufiger Gleichspannung einprägender Umrichter bzw. Marquardt-Mehrstufenumrichter bereitgestellt.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Gleichspannungssteller die Kondensatoreinheit und das Speichermodul galvanisch trennen oder zur galvanischen Trennung der Kondensatoreinheit und des Speichermoduls ausgebildet sein und/oder ein festes oder einstellbares Übersetzungsverhältnis aufweisen. Es ist also eine Energiespeichervorrichtung denkbar, bei der der Gleichspannungssteller eine galvanische Trennung zwischen dem Umrichter, konkret dem Umrichtersubmodul, und dem Speichermodul, beispielsweise einer Batterie, ermöglichen kann. Dabei kann mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass bei Betrieb der Energiespeichervorrichtung an der speichermodulseitigen Seite die anliegende Spannung eine Grenzspannung, insbesondere 120 V, nicht übersteigt. Bei einer derartigen Energiespeichervorrichtung wird speziell die Spannungslage so gewählt, dass das Speichermodul unter einer DC-Grenzspannung, beispielsweise unterhalb von 120 V oder 60 V, liegt. Uber ein Ubersetzungsverhältnis des Gleichspannungsstellers konnen Hochspannungen im Umrichter der Energiespeichervorrichtung auf niedrige Spannungen heruntergesetzt werden, so dass die Grenzspannung einen gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwert unterschreitet bzw. die Wirkung auf den Menschen bei unachtsamem Beruhren weniger stark ausfallt. Auf diese Weise kann eine Beruhrschutzthematik vermieden werden, da die Speichermodule im Wartungsfall unterhalb einer vom Beruhrschutz her kritischen Grenzspannung liegen, in Deutschland beispielsweise unterhalb von 120 V. Die tatsachlich verwendete Spannung der Speichermodule kann selbstverständlich durch Auswahl einer geeigneten Anzahl von Speicherzellen des Speichermoduls an sonstige Grenzspannungen, die beispielsweise auf die ortlichen Gegebenheiten des Netzes/der Anwendung/der Gesetzgebung abgestimmt sind, angepasst werden. Denkbar ist es beispielsweise, dass seitens der Kondensatoreinheit von bis zu 850 V vorliegen konnen, was beispielsweise bei der Verwendung von 1200 V-IGBTs als Leistungshalbleiter vorteilhaft sein kann, wohingegen auf der Seite des Speichermoduls, insbesondere einer Batterie, 117,6 V vorliegen konnen, die beispielsweise durch 26 Zellen á 4,2 V realisiert werden können.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kondensatoreinheit einen Modulkondensator umfasst, insbesondere einen als Teil des Gleichspannungsstellers verbauten Modulkondensator. Es ist also denkbar, dass der Modulkondensator im Gleichspannungssteller integriert vorgesehen ist, nachdem ohnehin Gleichspannungssteller bekannt sind, die eingangsseitig bereits einen Kondensator aufweisen. Wird dieser eingangsseitig vorgesehene Kondensator auch als Modulkondensator der Kondensatoreinheit verwendet, wird vorteilhafterweise ein Bauteil eingespart.
Die erfindungsgemaße Energiespeichervorrichtung kann sich ferner dadurch auszeichnen, dass an wenigstens einen Gleichspannungssteller kein Speichermodul angeschlossen ist. Es sind also auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen an einzelnen Umrichtersubmodulen des modular aufgebauten Umrichters kein Speichermodul bestuckt ist, sondern beispielsweise nur ein Modulkondensator zur Stabilisierung des Umrichtersubmoduls. Derartige Umrichtersubmodule, an denen kein Speichermodul bestückt ist, werden dann als „herkömmliche” Umrichtersubmodule betrieben. Dies kann aus Verfügbarkeits- und Wartungsgründen der Fall sein, wobei eine Flexibilitat gegeben ist, die das Nachrusten bzw. Weglassen von Speichermodulen erlaubt.
Was die Steuerung im Allgemeinen betrifft, kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung und/oder die Steuereinheiten zur Ansteuerung der Gleichspannungssteller unter Berucksichtigung der Spannung des Speichermoduls und/oder des aktuellen Ladezustands des Speichermoduls und/oder der verbleibenden Kapazitat des Speichermoduls und/oder der Leistungsfahigkeit des Speichermoduls und/oder des Innenwiderstands des Speichermoduls und/oder des Alterungszustands des Speichermoduls als Betriebsparameter ausgebildet ist. Selbstverstandlich konnen auch weitere bzw. andere Betriebsparameter berucksichtigt werden, beispielsweise der Lade- und/oder Entladestrom und dergleichen.
Hierbei kann das Umrichtersubmodul, an dem das Speichermodul angekoppelt ist, verwendet werden, um die Leistungsanforderungen an den Speicher vorzulegen, entsprechend einer Steuerlogik, die der Betriebsweise angepasst ist. Diese kann z. B. eine starkere Belastung starkerer Speichermodule bevorzugen, um die Gesamtleistung des Systems zu maximieren. Ebenso kann sie eine ganz oder teilweise Entlastung oder Freischaltung einzelner Speichermodule bewirken, um diese zu entlasten, zu schonen oder evtl. zu Wartung oder Austausch aus dem Gesamtsystem zu schalten.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheiten und/oder die Steuereinrichtung und/oder eine an jedem Speichermodul vorgesehene Messeinrichtung zur automatischen Ermittlung wenigstens eines Betriebsparameters des Speichermoduls ausgebildet sind. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zum Betrieb einer Gruppe von Speichermodulen mit wenigstens einem Speichermodul in einem Wartungsmodus und/oder Messmodus ausgebildet ist, insbesondere zur Ermittlung einer Kapazitat der Speichermodule der Gruppe und/oder einer Selbstentladung der Speichermodule der Gruppe als Betriebsparameter.
Denkbar ist es im Allgemeinen also, übliche Messverfahren einzusetzen, um Betriebsparameter, die bei der Steuerung berucksichtigt werden, zu ermitteln. Der Ladezustand kann dabei bei manchem Chemien einfach durch eine Messung der Spannung des Speichermoduls ermittelt werden. Eine Messung des Innenwiderstandes, der im Ubrigen ein nutzlicher Parameter zur Bestimmung des Alterungszustands eines Speichermoduls sein kann, kann beispielsweise über die Gabe eines Spannungspulses auf das Speichermodul ermoglicht werden, so dass sich unter Berucksichtigung eines gemessenen Stroms der DC-Innenwiderstand ermitteln lässt. Dadurch, dass eine zentrale Steuereinrichtung vorgesehen ist, ist es jedoch auch moglich, die Kapazität eines Speichermoduls und die Selbstentladung festzustellen. Beispielsweise kann eine Gruppe von Speichermodulen, beispielsweise alle an einem Arm des Umrichters vorgesehenen Speichermodule, vom ubrigen Betrieb fur eine bestimmte Zeitdauer abgesondert werden, in der diese Speichermodule vollstandig entladen werden und/oder vollstandig aufgeladen werden, so dass sich die entsprechenden Betriebsparameter und damit insbesondere die real verfugbare Kapazitat der Speichermodule ermitteln lasst. Um eine Selbstentladung eines Speichermoduls als Betriebsparmeter feststellen zu können, kann beispielsweise jeglicher Lade- und/oder Entladestrom aus einem Speichermodul im Messmodus fur eine definierte Zeit vermieden werden und der Verlauf des Ladezustands, insbesondere bestimmt anhand der Spannung des Speichermoduls, kann betrachtet werden. Ersichtlich sind verschiedenste Moglichkeiten denkbar, Betriebsparameter, insbesondere veränderliche Betriebsparameter, sei es aufgrund des Ladezustands oder auch des Alterungszustands, zu ermitteln und im Rahmen der Steuerung durch die Steuereinrichtung oder eine Steuereinheit einzusetzen.
Insbesondere sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass besonders vorteilhaft die Steuerung, sei es auf der Ebene der Steuereinrichtung oder auf der Ebene der Steuereinheiten, nicht allein über die Spannung des Speichermoduls erfolgen sollte, sondern weitere Betriebsparameter berucksichtigt werden sollten. Diese konnen beispielsweise der Ladezustand des Speichermoduls und die verbleibende Kapazität, die Leistungsfahigkeit und/oder der Innenwiderstand des Speichermoduls, wobei diese stark von der verwendeten Speichertechnologie abhangen, der Alterungszustand des Moduls, woraus sich insbesondere eine Anpassung der Betriebsparameter verbleibende Kapazitat, Leistungsfähigkeit und Innenwiderstand ergibt, und dergleichen sein.
Mit besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zur Ermittlung und/oder Berücksichtigung eines bevorzugten Betriebsfensters fur jedes Speichermodul bezuglich wenigstens der Spannung ausgebildet ist und/oder die Steuereinheiten zur Ermittlung und/oder Berücksichtigung eines bevorzugten Betriebsfensters für jedes ihr zugeordnete Speichermodul bezüglich wenigstens der Spannung ausgebildet sind. Derartige Betriebsfenster, also beispielsweise eine maximale und minimale erlaubte bzw. empfohlene Spannung, wurden bereits erwähnt. Derartige Betriebsfenster konnen dafür sorgen, dass eine zu starke Alterung von Speichermodulen vermieden wird und/oder die Speichermodule immer optimal bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit genutzt werden können. Dabei ist allerdings zu berucksichtigen, dass sich diese bevorzugten, insbesondere optimalen Betriebsfenster mit dem Alterungszustand der jeweiligen Speichermodule verändern können. Hierzu kann in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung und/oder die Steuereinheiten zur Ermittlung des aktuellen Betriebsfensters eines Speichermoduls unter Berucksichtigung wenigstens eines den Alterungszustand des Speichermoduls beschreibenden Betriebsparameters, insbesondere des Innenwiderstands und/oder der Kapazitat, ausgebildet ist, insbesondere ausgehend von einem Betriebsfenster im Neuzustand des Speichermoduls unter Berücksichtung einer Datenbank und/oder einer insbesondere speichermodultypspezifischen Look-Up-Tabelle. Beschreiben also bestimmte Betriebsparameter, insbesondere der Innenwiderstand und/oder die Kapazitat, die Alterung des Speichermoduls, können die optimalen Betriebsfenster für verschiedene Alterungszustande in Abhängigkeit dieser Parameter, insbesondere speichermodultypspezifisch, vorliegen, und mithin entsprechend abgefragt werden, um das Betriebsfenster moglichst angepasst an den aktuellen Alterungszustand des Speichermoduls zu halten. Die „Startwerte” für verschiedene Speichermodule können als Teil der Konfiguration fur die Speichermodule bereits eingestellt werden, wobei dann auch insbesondere bestimmte Look-Up-Tabellen vorgewahlt werden können. Es ist jedoch auch moglich, derartige Startwerte für die Betriebsfenster von Hand einzugeben oder anderweitig in Erfahrung zu bringen.
In konkreter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur Konfiguration einer Steuereinheit auf ein durch sie zu steuerndes Speichermodul in einem Speicher der Steuereinheit mehrere unterschiedlichen anschließbaren Speichermodulen und/oder Speichermodultypen zugeordnete Parametersätze eines Regelungsalgorithmus auswahlbar abgelegt sind. Es wird also ein parametrierbarer Regelungsalgorithmus verwendet, fur den bereits vorgespeichert auswählbare Parametersatze vorliegen, die letztlich nur noch eingestellt werden mussen, beispielsweise von Hand, wenn ein entsprechendes Speichermodul angeschlossen wird. Mit besonderem Vorteil ist es jedoch denkbar, dass eine Einrichtung zur automatischen Erkennung eines an einen Gleichspannungssteller angeschlossenen Speichermoduls vorgesehen ist, wobei die Auswahl eines Parametersatzes in Abhangigkeit eines durch die Einrichtung erkannten Speichermoduls automatisch erfolgt. Hierzu sind im Stand der Technik bereits verschiedene Ausgestaltungen bekannt, beispielsweise auf einem Speichermedium, beispielsweise einem Mikrochip, gespeicherte Daten, die bei Anschluss des Speichermoduls uber eine Kommunikationsverbindung durch die Steuereinheit ausgelesen werden können, um das Speichermodul bezuglich der relevanten Parameter zu identifizieren. Denkbar ist auch beispielsweise die Verwendung einer RFID-Technologie, um insbesondere berührungslos, also über Funk, ein Auslesen des Speichermodultyps oder sonstiger Parameter zu ermöglichen. In einem weiteren Beispiel ist es denkbar, Informationen uber insbesondere einmalig aufgepragte Oberwellen beim Anschließen des Speichermoduls zu transportieren.
Derartige elektrische Energiespeichervorrichtungen, wie sie die vorliegende Erfindung beschreibt, konnen in verschiedensten Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden. Beispiele hierfur sind:

– inspeisewechselrichter in Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsnetzen mit integriertem Energiespeicher, hier in Form von Speichermodulen,
– Netz(-kurz-)kupplungen mit integriertem elektrischem Energiespeicher,
– Puffer fur sensible Netze/Prozesse, das bedeutet, insbesondere eine Versorgung eines Teilnetzes, dessen primare Einspeisung ausgefallen ist, beispielsweise kritische Vorgange oder Prozesse sicher in einen definierten Zustand zu überfuhren,
– Landanschlüsse mit optionaler Pufferung,
– Solarumrichter mit integriertem elektrischen Energiespeicher (hierzu kann beispielsweise eine variable Gesamt-Gleichspannung zur Suche des „maximum power point” (MPP) zur Verfugung gestellt werden),
– Energiespeichervorrichtung/Energiekupplung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, wobei beim Laden der Wechselspannungsanschluss des Umrichters der Energiespeichervorrichtung mit einem Stromnetz verbunden ist, bei der Fortbewegung der Wechselspannungsanschluss des Umrichters mit dem Antriebsmotor verbunden wird und eine Netzpufferung realisiert werden kann, das bedeutet, es kann, falls notig, in das Wechselspannungsnetz (Stromnetz) zurückgespeist werden,
– zentrale Ladestation für Akkumulatoren, wobei bei entsprechendem Aufbau, insbesondere mit einer schaltbaren galvanischen Trennung durch die Gleichspannungssteller, ein Austausch einzelner Speichermodule während dem Betrieb des Umrichters möglich ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung,
2 eine mogliche erste, konkrete Realisierung einer erfindungsgemaßen Energiespeichervorrichtung,
3 eine Realisierung der erfindungsgemaßen Energiespeichervorrichtung in der Art eines Direktumrichters, und
4 eine Topologie an einem Arm eines Dreipunktumrichters.
1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1. Konkrete Ausfuhrungsbeispiele bezüglich des Umrichters werden mit Bezug auf die 2 bis 4 im weiteren Verlauf dargestellt.
Die Energiespeichervorrichtung 1 umfasst einen Umrichter 2, der vorliegend einen dreiphasigen Eingang 3 aufweist. Der Umrichter 2 kann dabei ein Mehrstufenumrichter, ein Umrichter ohne Zwischenkreis und/oder ein Mehrpunktumrichter sein.
Der Umrichter 2 ist aus mehreren Umrichtersubmodulen 4 aufgebaut, die eine Kondensatoreinheit 5 umfassen und zum Laden und zum Entladen wenigstens eines Speichermoduls 6 ausgebildet sind. In der in 1 dargestellten Prinzipskizze ist dabei jeweils ein Speichermodul 6 uber einen ansteuerbaren Gleichspannungssteller 7, insbesondere einen Hochsetzsteller, der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet werden kann, an die Kondensatoreinheit 5 angekoppelt.
Zweck des Gleichspannungsstellers 7 ist es, zum einen eine an der Kondensatoreinheit 5 anliegende Kondensatorspannung in eine Ladespannung umzuwandeln, die zum Laden des Speichermoduls erforderlich ist. Gleichzeitig ist der Gleichspannungssteller 7 dazu ausgebildet, eine beim Entladen an dem Speichermodul 6 anfallende Entladespannung in die Kondensatorspannung umzuwandeln.
Mithin ist in der Energiespeichervorrichtung 1 ein dezentraler Energiespeicher in Form der einzelnen Speichermodule 6 vorgesehen, die jeweils an ein Umrichtersubmodul 4 angekoppelt sind.
Dabei sind wenigstens zwei der Speichermodule 6 unterschiedlich. Wahrend es grundsätzlich moglich ist, dass die Speichermodule 6 vom selben Speichermodultyp sind, aber sich im Alterungszustand unterscheiden, ist es vorliegend jedoch auch denkbar, unterschiedliche Modultypen fur die Speichermodule 6 zu verwenden, das bedeutet, gezielt unterschiedliche Speichermodule 6, die sich also in ihrem auf das Laden und/oder Entladen bezogenen Eigenschaften unterscheiden, zu verwenden, was im Ausführungsbeispiel nach 1 auch geschehen ist. Dabei konnen sich wenigstens zwei Speichermodule 6 in ihrem Speicherprinzip und/oder ihrer Speicherkapazitat und/oder ihrer Spannungslage und/oder der Chemie ihres Speicherprozesses und/oder ihrer Leistungsfahigkeit unterscheiden. Konkret kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Speichermodul eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Lithium-Polymer-Batterie, eine Blei-Batterie, eine Nickel-Kadmium-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, eine Hochtemperaturbatterie, eine Redox-Flussbatterie und/oder ein Speicherkondensator ist. Ersichtlich sind verschiedenste Speichermodule 6 denkbar.
Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Speichermodule 6 aus mehreren Speicherzellen bestehen können, wie dies üblich ist, die hier jedoch nicht näher dargestellt sind. Denkbar ist es zudem, dass eine Speichermodulbetriebseinheit vorgesehen ist, die die Speicherzellen und ihren Lade- und Entladebetrieb so regelt, dass die Speicherzellen in einem bestimmten Temperaturbereich und/oder in einem bestimmten Spannungsbereich betrieben werden und/oder ein Ladungsausgleich zwischen den Speicherzellen stattfindet (balancing). Diese Speichermodulbetriebseinheit kann in die im Folgenden naher beschriebene Steuereinheit 8, die jedem Gleichspannungssteller 7 zugeordnet ist, integriert sein, zumindest aber mit dieser vorzugsweise kommunizieren, wenn sie, wie bekannt, bereits in dem Speichermodul 6 verbaut ist.
Die Steuereinheiten 8 sind es nun, die eine erste wichtige Grundlage für die Möglichkeit, verschiedene Speichermodule 6 zu verwenden, schafft, denn sie sind auf verschiedene Speichermodule 6 bzw. Speichermodultypen konfigurierbar, das bedeutet, speichermodulspezifisch oder speichermodultypspezifisch einstellbar. Hierzu ist in den Steuereinheiten 8 ein schematisch angedeuteter, parametrierbarer Regelungsalgorithmus 9 abgelegt, gemeinsam mit vorliegend verschiedenen Modultypen zugeordneten Parametersatzen 10, die beispielsweise in einer Datenbank abgelegt sein können. Wird ein Speichermodul 6 angeschlossen, so wird die zugehörige Steuereinheit 8 durch Wahl des korrekten Parametersatzes 10 und Verwendung desselben im Regelungsalgorithmus 9 konfiguriert, wobei diese Einstellung von Hand, insbesondere über eine ubergeordnete zentrale Steuereinrichtung 11, erfolgen kann, bevorzugt jedoch eine hier nicht näher dargestellte Einrichtung zur automatischen Erkennung eines an einen Gleichspannungssteller 7 angeschlossenen Speichermoduls 6 verwendet wird. Beispielsweise können die Daten in einem Speicherbaustein innerhalb des Speichermoduls 6 abgelegt sein und uber eine entsprechende Kommunikationsverbindung durch die Steuereinheit 8 abgerufen werden, welche dann automatisch einen Parametersatz 10 in Abhängigkeit der Daten aus dem Speichermodul auswahlt.
Zu den Parametern im Parametersatz gehört auch ein bevorzugtes Betriebsfenster fur das Speichermodul 6, insbesondere wenigstens bezuglich der Spannung, gegebenenfalls aber auch bezüglich der Temperatur, im Neuzustand, sowie eine Vorschrift, wie man unter Berücksichtigung von den Alterungszustand des Speichermoduls 6 beschreibenden Betriebsparametern des Speichermoduls 6 hieraus ein dem Alterungszustand entsprechendes Betriebsfenster ermitteln kann, beispielsweise eine Look-Up-Tabelle. Unter Betriebsfenstern sind dabei Grenzen, also beispielsweise Spannungsgrenzen oder Temperaturgrenzen, zu verstehen, die bei Betrieb des Speichermoduls 6 eingehalten werden sollten, um eine optimale Leistung und eine minimale Abnutzung des Speichermoduls 6 zu realisieren.
Es sei angemerkt, dass die Betriebsfensterermittlung auch uber die zentrale Steuereinrichtung 11 erfolgen kann. In einem speziellen Ausfuhrungsbeispiel ist es sogar denkbar, dass die Steuereinheiten 8 in die zentrale Steuereinrichtung 11 integriert sind.
Ferner ist, wie bereits erwahnt, die zentrale Steuereinrichtung 11 vorgesehen, die die einzelnen Gleichspannungssteller 7 – unter Vermittlung der Steuereinheiten 8 – ansteuert, wobei die Betriebsdaten aller Speichermodule 6 und externe Anforderungsdaten 12, beispielsweise ein Leistungsbedarf, berücksichtigt werden. Das bedeutet also, dass ein ganzheitliches Ansteuerungskonzept vorgesehen ist, welches insbesondere auch in der Lage ist, die unterschiedlichen Eigenschaften der Speichermodule 6 optimal im Hinblick auf die Anforderungsdaten zu nutzen. So ist es beispielsweise denkbar, dass bei hohen Leistungsanforderungen manche Speichermodule 6 eher geeignet sind, so dass diese dann bevorzugt entladen werden sollten, beispielsweise auch, um Schädigungen und/oder eine Alterung anderer Speichermodule 6 zu vermeiden. Derartiges ist insbesondere auch im Hinblick auf so genannte Second-Life-Szenarien sinnvoll, bei denen fur Notfalle alte Batterien als Speichermodule 6 in der Energiespeichervorrichtung 1 genutzt werden, welche dann gezielt über die zentrale Steuervorrichtung 11 eingesetzt werden. Ersichtlich sind verschiedenste Ansatzpunkte denkbar, um das Wissen um die unterschiedlichen Speichermodule 6 vorteilhaft zu nutzen.
Doch auch unabhangig von der Verwendung unterschiedlicher Speichermodule 6 kann eine zentrale Steuereinrichtung 11 vorteilhaft genutzt werden, beispielsweise, um Wartungszyklen und Messzyklen fur Gruppen von Speichermodulen 6 zu realisieren, indem diese beispielsweise in einen Wartungsmodus oder einen Messmodus verbracht werden. Wartungszyklen konnen beispielsweise bedeuten, dass die Speichermodule 6 einmal völlig entladen werden, um dann wieder vollstandig aufgeladen zu werden. Auf diesem Wege lässt sich im Übrigen auch der Betriebsparameter der aktuellen Kapazität eines Speichermoduls 6 bestimmen. In diesem Sinne liegt auch ein Messmodus vor. Denkbar ist es jedoch auch, in einem Messmodus keinerlei Lade- und Entladestrome an einem Speichermodul 6 vorzusehen, so dass dessen Selbstentladung als Betriebsparameter gemessen werden kann.
Allgemein konnen weitere Messungen von Betriebsparametern der Speichermodule 6 auf grundsätzlich bekannte Art und Weise vorgenommen werden, so dass beispielsweise der aktuelle Ladezustand eines Speichermoduls 6 an der Spannung an dem Speichermodul 6 abgelesen werden kann, der AC- oder DC-Innenwiderstand eines Speichermoduls 6 uber einen kurzen Spannungspuls und den resultierenden Strom gemessen werden kann und dergleichen. Steuereinheit 8 und/oder Steuereinrichtung 11 sind im Ubrigen auch dazu ausgebildet, aus bestimmten Betriebsparametern, insbesondere dem Innenwiderstand und/oder der Kapazität, den Alterungszustand herzuleiten.
Insgesamt erfolgt, vorliegend verteilt auf die Steuereinheiten 8 und die Steuereinrichtung 11, mithin eine Gesamtsteuerung der Leistungsmodule 6 anhand der Anforderungsdaten 12 und der Betriebsparameter, wobei die Steuereinrichtung 11 und/oder die Steuereinheiten 8 die Spannung des jeweiligen Speichermoduls 6, den aktuellen Ladezustand des Speichermoduls 6, die verbliebene Kapazitat des Speichermoduls 6, die Leistungsfähigkeit des Speichermoduls 6, den Innenwiderstand des Speichermoduls 6 und den Alterungszustand des Speichermoduls 6 als Betriebsparameter berucksichtigen.
Es konnen also nicht nur unterschiedliche Speichermodule 6 verwendet werden, sondern die Gesamtsteuerung der Energiespeichervorrichtung 1 wird auf diese vorteilhaft angepasst.
Es sei an dieser Stelle noch allgemeine angemerkt, dass es selbstverstandlich auch moglich ist, dass an wenigstens einen Gleichspannungssteller 7 kein Speichermodul angeschlossen ist. Dies kann sinnvoll sein, wenn gerade weniger gespeicherte Energie benotigt wird oder ein Speichermodul 6 gewartet wird. Ebenso kann dies sinnvoll sein, wenn temporar nicht genug Module als Ruckläufer in „Second-Life Szenarien” verfugbar sind. Hierzu sei im Übrigen auch noch angemerkt, dass der Gleichspannungssteller 7 in den vorliegenden Ausführungsbeispielen die Kondensatoreinheit 5 und das Speichermodul 6 entweder bereits grundsatzlich galvanisch trennt oder zumindest zur galvanischen Trennung der Kondensatoreinheit 5 und des Speichermoduls 6 ausgebildet ist. Zudem weist er ein festes oder einstellbares Ubersetzungsverhaltnis auf. Auf diese Weise kann namlich realisiert werden, dass bei Betrieb der Energiespeichervorrichtung 1 an der speichermodulseitigen Seite des Gleichspannungsstellers 7 die anliegende Spannung eine Grenzspannung, hier 120 V, nicht übersteigt. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Handhabbarkeit der Energiespeichervorrichtung 1 gegeben, nachdem sich die Speichermodule 6 letztlich problemlos ohne Beachtung komplexerer Berührschutzvorschriften austauschen lassen. Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass Speichermodule 6 mit Speicherzellen derart verwendet werden, dass sich eine maximale Gesamtspannung des Speichermoduls 6 nahe an der Grenzspannung ergibt, beispielsweise 117,6 V bei 120 V Grenzspannung.
Ein Modulkondensator der Kondensatoreinheit 5 kann im Ubrigen hier als Teil des Gleichspannungsstellers 7 vorgesehen werden, so dass ein dort ohnehin vorhandener Kondensator auch als Modulkondensator der Kondensatoreinheit 5 eingesetzt werden kann.
2 zeigt nun ein erstes, konkretes Ausfuhrungsbeispiel, in dem der Umrichter 2 als ein Marquardt-Mehrstufenumrichter 13 realisiert ist. Der Umrichter 13 besteht aus einer Brückenschaltung von Umrichterventilen bzw. Leistungshalbleiterventilen 14, 15, 16, 17, 18 und 19, wobei sich jedes der besagten Leistungshalbleiterventile, die auch als Umrichterarme bezeichnet werden können, zwischen einem Wechselspannungsanschluss 20 und einem positiven Gleichspannungsanschluss 21 bzw. einem negativen Gleichspannungsanschluss 22 erstreckt. Daruber hinaus verfugt jedes Leistungshalbleiterventil 14, 15, 16, 17, 18 und 19 uber eine den Stromfluss begrenzende Drossel 23. In 2 ist nur schematisch angedeutet, dass jeder Wechselspannungsanschluss 20 mit den Anschlussmitteln 3 zum Anschluss eines Wechselspannungsnetzes verbunden ist. Dies erfolgt ublicherweise uber einen Transformator oder aber auch galvanisch mit Hilfe von Drosseln oder Spulen, die zwischen die Wechselspannungsanschlüsse 20 und das in 2 nicht dargestellte Wechselspannungsnetz geschaltet sind.
Es ist weiterhin erkennbar, dass jedes der Leistungshalbleiterventile 14, 15, 16, 17, 18 und 19 eine Reihenschaltung von bipolaren Umrichtersubmodulen 4 aufweist, die alle identisch aufgebaut sind. Daher ist in der rechten Hälfte von 2 lediglich ein Submodul 4 genauer dargestellt. Es ist erkennbar, dass jedes Submodul 4 über eine Kondensatoreinheit 5 und eine Leistungshalbleiterschaltung 24 verfügt, die sich parallel zur Kondensatoreinheit 5 erstreckt. Die Leistungshalbleiterschaltung 24 weist zwei Leistungshalbleiter 25 und 26 auf, die sowohl ein- als auch ausgeschaltet werden konnen. Solche Leistungshalbleiter 25, 26 sind beispielsweise so genannte IGBTs, GTOs, X-FETs, IGCTs oder dergleichen. Grundsatzlich ist jeder schaltbare Leistungshalbleiter im Rahmen dieses Ausfuhrungsbeispiels einsetzbar. Jedem dieser ansteuerbaren Leistungshalbleiter 25, 26 ist eine Freilaufdiode 27 gegensinnig parallel geschaltet. Weiterhin ist eine erste Anschlussklemme 28 galvanisch mit der Kondensatoreinheit 5 verbunden. Eine zweite Anschlussklemme 29 ist an dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern 25 und 26 angeschlossen. An der Kondensatoreinheit 5 fallt beim Betrieb des Umrichters 13 eine Kondensatorspannung ab.
Wie bereits oben ausgeführt wurde, kann jeder der Leistungshalbleiter 25 oder 26 von einer Unterbrecherstellung, in der ein Stromfluss uber den jeweiligen Leistungshalbleiter unterbrochen ist, in seine Durchgangsstellung uberfuhrt werden, in der ein Stromfluss über den Leistungshalbleiter 25, 26 in einer Durchlassrichtung ermöglicht ist und umgekehrt. Werden die Leistungshalbleiter 25 und 26 beispielsweise so angesteuert, dass sich der Leitungshalbleiter 26 in seiner Unterbrecherstellung, der Leistungshalbleiter 25 jedoch in seiner Durchgangsstellung befindet, fällt an den Ausgangsklemmen 28 und 29 die Kondensatorspannung ab. Ist jedoch der Leistungshalbleiter 26 in seiner Durchgangsstellung, der Leistungshalbleiter 25 ist in seiner Unterbrecherstellung, fallt an den Ausgangsklemmen 28 und 29 die Spannung Null ab. Somit kann entweder die Kondensatorspannung oder eine Null-Spannung an die Ausgangsklemmen 28 und 29 gelegt werden.
Daruber hinaus ist erkennbar, dass die Kondensatoreinheit 5 parallel zu einem Gleichspannungssteller 7 geschaltet ist. Der Gleichspannungssteller 7 ist ausgangsseitig mit einem Speichermodul 6 verbunden, wie dies bereits in 1 dargestellt war.
Entsprechende Messmittel als Teil der Steuereinheit 8 oder extern realisiert sind der Ubersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt.
3 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel: einen Umrichter ohne zentralen DC-Kreis. Hier befinden sich die Umrichtersubmodule 4 auf den Umrichterarmen 31, 32 und 33 direkt zwischen den Phasen zugeordneten Wechselspannungsanschlüssen 20, ähnlich einem Direktumrichter. Diese können in Ketten oder auch einzeln verschaltet sein, es muss darauf geachtet werden, dass die Umrichtersubmodule von ihrer internen Topologie oder durch geschickte Verschaltung fähig sind, mit dem Wechselstrom bzw. der -spannung zu funktionieren. Eine andere Verschaltung z. B. im Stern ist ebenso denkbar.
4 zeigt nun ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel, in dem als Umrichter 2 ein Dreipunktumrichter verwendet wird. Der Einfachheit halber sind entsprechende Bestandteile mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet und es ist nur eine Phase dargestellt.
Ersichtlich weist auch der Dreipunktumrichter Wechselspannungsanschlüsse 20 auf, an denen verschiedene Phasen anliegen konnen. Verbunden sind die Wechselspannungsanschlusse über die Umrichterarme. Dort sind pro Arm ersichtlich vier Leistungshalbleiter 34–37 vorgesehen, denen jeweils wiederum eine Freilaufdiode 38 gegensinnig parallel geschaltet ist. Gekoppelt sind die Paare von Leistungshalbleitern 34, 35 und 36, 37 uber weitere zwei Dioden 39, die es ermöglichen, uber eine entsprechende Schaltung der Leistungshalbleiter 34–37 an hier zwei Modulkondensatoren 40 die Kondensatorspannung oder eine Null-Spannung anzulegen. An jeden der Modulkondensatoren 40 ist uber einen Gleichspannungssteller 7 wiederum ein Speichermodul 6 angekoppelt, das bedeutet, im vorliegenden Fall sind an ein Umrichtersubmodul 4 zwei Speichermodule 6 angekoppelt. Dennoch wird im vorliegenden Fall zur Ansteuerung der beiden Gleichspannungssteller 7 eine einzige Steuereinheit 8 verwendet. Hierüber kann beispielsweise ein „balancing” zwischen den beiden Speichermodulen 6 erfolgen.
Es sei noch angemerkt, dass selbstverstandlich auch andere Ausgestaltungen der Umrichter und andere Steuerstrukturen möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2009/065491 [0003, 0008, 0022]
DE 10103031 B1 [0022]

Claims

Energiespeichervorrichtung (1), umfassend mehrere Speichermodule (6) für elektrische Energie, die jeweils an eine Kondensatoreinheit (5) eines einem Umrichter (2) zugehorigen Umrichtersubmoduls (4) zum Laden oder Entladen wenigstens eines Speichermoduls (6) uber wenigstens einen ansteuerbaren Gleichspannungssteller (7) angekoppelt sind, welcher Gleichspannungssteller (7) zum Umwandeln einer an der Kondensatoreinheit (5) anliegenden Kondensatorspannung in eine Ladespannung, die zum Laden des Speichermoduls (6) erforderlich ist, und zum Umwandeln einer beim Entladen an dem Speichermodul (6) anfallenden Entladespannung in die Kondensatorspannung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinrichtung (11) vorgesehen ist, die zur Ansteuerung der einzelnen Gleichspannungssteller (7) unter Berücksichtigung von Betriebsdaten aller Speichermodule (6) und externer Anforderungsdaten (12) ausgebildet ist, und/oder jeder Kondensatoreinheit (5) und/oder jedem Gleichspannungssteller (7) eine Steuereinheit (8) zugeordnet ist, die für wenigstens zwei in einer ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterschiedliche Speichermodule (6) modulspezifisch konfigurierbar ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens zwei Speichermodule (6) in einer ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterscheiden, insbesondere in ihrem Speicherprinzip und/oder ihrer Speicherkapazität und/oder ihrer Spannungslage und/oder der Chemie ihres Speicherprozesses und/oder ihrem Alterungszustand und/oder ihrer Leistungsfahigkeit.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermodule (6) eine Lithium-Ionen-Batterie und/oder eine Lithium-Polymer-Batterie und/oder eine Blei-Batterie und/oder eine Nickel-Kadmium-Batterie und/oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie und/oder eine Hochtemperaturbatterie, insbesondere eine Natrium-Schwefel-Batterie und/oder eine ZEBRA-Batterie und/oder eine Metall-Luft-Batterie, und/oder eine Redox-Flow-Batterie und/oder einen Superkondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator und/oder einen Hybridkondensator, umfassen, insbesondere wenigstens zwei Speichermodule aus dieser Gruppe.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (2) ein Mehrstufenumrichter und/oder ein Umrichter ohne Zwischenkreis und/oder ein Mehrpunktumrichter ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (2) ein Mehrpunktumrichter, insbesondere ein Dreipunktumrichter (30), mit wenigstens drei verschiedenen, insbesondere die Phasen verbindenden Armen (31, 32, 33) ist, wobei auf jedem Arm (31, 32, 33) wenigstens ein Umrichtersubmodul (4) vorgesehen ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (2) ein Marquardt-Mehrstufenumrichter (13) ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungssteller (7) die Kondensatoreinheit (5) und das Speichermodul (6) galvanisch trennt oder zur galvanischen Trennung ausgebildet ist und/oder ein festes oder einstellbares Ubersetzungsverhältnis aufweist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb der Energiespeichervorrichtung (1) an der speichermodulseitigen Seite des Gleichspannungsstellers (7) die anliegende Spannung eine Grenzspannung, insbesondere 120 V, nicht übersteigt.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoreinheit (5) einen Modulkondensator (40) umfasst, insbesondere einen als Teil des Gleichspannungsstellers (7) verbauten Modulkondensator.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (8) und/oder die Steuereinrichtung (11) und/oder eine an jedem Speichermodul (6) vorgesehene Messeinrichtung zur automatischen Ermittlung wenigstens eines Betriebsparameters des Speichermoduls (6) ausgebildet sind.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) zum Betrieb einer Gruppe mit wenigstens einem Speichermodul (6) in einem Wartungsmodus und/oder Messmodus ausgebildet ist, insbesondere zur Ermittlung einer Kapazität der Speichermodule (6) und/oder einer Selbstentladung der Speichermodule (6) als Betriebsparameter.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) zur Ermittlung und/oder Berücksichtigung eines bevorzugten Betriebsfensters fur jedes Speichermodul (6) bezuglich wenigstens der Spannung ausgebildet ist und/oder die Steuereinheiten (8) zur Ermittlung und/oder Berücksichtigung eines bevorzugten Betriebsfensters fur jedes ihr zugeordnete Speichermodul (6) ausgebildet sind.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konfiguration einer Steuereinheit (8) auf ein durch sie zu steuerndes Speichermodul (6) in einem Speicher der Steuereinheit (8) mehrere unterschiedlichen anschließbaren Speichermodulen (6) und/oder Speichermodultypen zugeordnete Parametersatze (10) eines Regelungsalgorithmus (9) auswählbar abgelegt sind.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur automatischen Erkennung eines an einen Gleichspannungssteller (7) angeschlossenen Speichermoduls (6) vorgesehen ist, wobei die Auswahl eines Parametersatzes (10) in Abhängigkeit eines durch die Einrichtung erkannten Speichermoduls (6) automatisch erfolgt.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) und/oder die Steuereinheiten (8) zur Ansteuerung der Gleichspannungssteller (7) unter Berücksichtigung der Spannung des Speichermoduls (6) und/oder des aktuellen Ladezustands des Speichermoduls (6) und/oder der verbleibenden Kapazität des Speichermoduls (6) und/oder der Leistungsfähigkeit des Speichermoduls (6) und/oder des Innenwiderstands des Speichermoduls (6) und/oder des Alterungszustands des Speichermoduls (6) als Betriebsparameter ausgebildet ist.