DE102012207794A1 - Method for charging and/or discharging battery of electric car, involves carrying out charging and/or discharging storage for charging- and/or discharging currents above and below threshold value with uninterruptible and interrupted current - Google Patents

Method for charging and/or discharging battery of electric car, involves carrying out charging and/or discharging storage for charging- and/or discharging currents above and below threshold value with uninterruptible and interrupted current Download PDF

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Abstract

The method involves carrying out charging and/or discharging an electrical energy storage (2) for charging- and/or discharging currents (I) above a predetermined threshold value with a time uninterruptible direct current (DC) and below the threshold value with a time interrupted DC. The threshold value is selected such that a ripple of the time uninterruptible current does not cause any current zero crossovers. The charging- and/or discharging currents are controlled by a power converter (4). The energy storage is charged with current from a photovoltaic system (3). An independent claim is also included for a charging- and/or discharging device for an electrical energy storage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und/oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Lade- und/oder Entladeeinrichtung gemäß Patentanspruch 8. The invention relates to a method for charging and / or discharging an electrical energy storage device according to patent claim 1 and to a charging and / or discharging device according to patent claim 8.

Lade- und/oder Entladeeinrichtungen für elektrische Energiespeicher kommen beispielsweise für das Laden von elektrischen Fahrzeugbatterien (z.B. in so genannten "Elektroauto-Ladesäulen“) zum Einsatz. Ein anderer Anwendungsfall liegt in industriellen Anlagen für das Laden und Entladen von Großbatterien zum Stützen von elektrischen Anlagennetzen bei einem Ausfall der Netzspannung. Die über derartige Lade- und/oder Entladeeinrichtungen fließenden elektrischen Ströme liegen dabei üblicherweise bei über 0.5 A, typischerweise bei 0.5 A bis 100 A. Charging and / or discharging devices for electrical energy stores are used, for example, for charging vehicle electrical batteries (eg in so-called "electric car charging stations") Another application lies in industrial systems for charging and discharging large batteries for supporting electrical system networks The electrical currents flowing through such charging and / or discharging devices are usually more than 0.5 A, typically 0.5 A to 100 A.

Energiespeicher werden häufig über einen Stromrichter geladen oder entladen. Der Stromrichter dient beispielsweise im Fall des Ladens des Energiespeichers mit Strom aus einem Wechselspannungsnetz zur Gleichrichtung des Wechselstromes bzw. im Fall des Entladens des Energiespeichers in ein Wechselspannungsnetz zur Erzeugung einer Wechselspannung zur Einspeisung in das Wechselspannungsnetz. Energy storage devices are often charged or discharged via a power converter. The converter is used, for example, in the case of charging the energy storage with power from an AC voltage network for rectifying the AC or in the case of discharging the energy storage in an AC voltage network to generate an AC voltage for feeding into the AC voltage network.

Werden Energiespeicher, wie z.B. Batterien, über einen Stromrichter mit steuerbaren Schaltgliedern, wie z.B. IGBT-Halbleiterschalter, geladen oder entladen, so entsteht eine geringe Oberwelligkeit des Lade- bzw. Entladestromes. Bei sehr niedrigen Lade- oder Entladeströmen verursacht diese Oberwelligkeit einen schnellen Wechsel zwischen Laden und Entladen, da der Strom infolge seiner Welligkeit Nulldurchgänge hat. Dieser schnelle Wechsel zwischen Laden und Entladen verringert die Lebensdauer des Energiespeichers. Soll ein Energiespeicher über längere Zeit mit geringer Leistung geladen oder entladen werden, wie dies beispielsweise im Fall des Ladens einer Batterie mit Strom aus einer Photovoltaikanlage der Fall sein kann, so geht dies auf Kosten der Lebensdauer des Energiespeichers. If energy storage, such as Batteries, via a power converter with controllable switching elements, such. IGBT semiconductor switch, charged or discharged, this results in a slight ripple of the charging or discharging current. At very low charge or discharge currents, this ripple causes a rapid switch between charge and discharge because the current has zero crossings due to its ripple. This fast change between charging and discharging reduces the life of the energy storage. If an energy storage device to be charged or discharged for a long time with low power, as may be the case for example in the case of charging a battery with power from a photovoltaic system, this is at the expense of the life of the energy storage.

Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum Laden und/oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers sowie eine Lade- und/oder Entladeeinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher anzugeben, mit denen diese durch die Stromwelligkeit verursachten Probleme ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen zumindest reduziert, vorzugsweise sogar gänzlich vermieden werden können. It is therefore an object of the present invention to provide a method for charging and / or discharging an electrical energy storage and a charging and / or discharging device for an electrical energy storage, with which these caused by the current ripple problems without additional design measures at least reduced, preferably even entirely can be avoided.

Die Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Die Lösung der auf die Lade- und/oder Entladeeinrichtung gerichteten Aufgabe gelingt durch eine Lade- und/oder Entladeeinrichtung gemäß Patentanspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. The solution of the object directed to the method is achieved by a method according to claim 1. The solution of the task directed to the loading and / or unloading succeeds by a loading and / or unloading device according to claim 8. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Laden und/oder Entladen des Energiespeichers für Lade- und/oder Entladeströme oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwertes mit einem zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom und unterhalb des Schwellwertes mit einem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom. In the method according to the invention, the charging and / or discharging of the energy store for charging and / or discharging currents takes place above a predetermined or predefinable threshold value with a direct current without interruption and below the threshold value with a dc interruption in time.

Unter einem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom wird dabei ein Gleichstrom verstanden, der in seinem zeitlichen Verlauf Unterbrechungen aufweist, d.h. Phasen, in denen er Null beträgt und Phasen, in denen er von Null verschieden ist. Im Unterschied dazu weist der zeitlich unterbrechungsfreie Gleichstrom keine derartigen zeitlichen Unterbrechungen auf, d.h. er ist immer von Null verschieden. Aufgrund der zeitlichen Unterbrechungen kann bei dem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom im Vergleich zu dem zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom bei gleichem elektrischen Leistungsfluss bzw. Mittelwert des Gleichstromes der Lade- bzw. Entladestrom auf einen höheren Wert angehoben werden. Durch diese Anhebung des Gleichstromes können durch eine Stromwelligkeit verursachte Nulldurchgänge des Lade- bzw. Entladestromes und somit eine Verringerung der Lebensdauer des Energiespeichers zumindest reduziert oder sogar gänzlich vermieden werden. Außerdem können mit der Erfindung zusätzliche konstruktive Maßnahmen und Aufwand für eine Glättung des Lade- bzw. Entladestroms zur Vermeidung einer Verringerung der Lebensdauer des Energiespeichers entfallen. By a dc interruption with a time interruption is meant a direct current which has interruptions over its course, i. Phases in which it is zero and phases in which it is different from zero. In contrast, the uninterrupted DC current has no such time interruptions, i. he is always different from zero. Due to the time interruptions, the charging or discharging current can be raised to a higher value in the case of the dc interruption in time compared with the uninterrupted dc current with the same electrical power flow or mean value of the direct current. By this increase in the DC current caused by a current ripple zero crossings of the charging and discharging and thus reducing the life of the energy storage can be at least reduced or even completely avoided. In addition, can be omitted with the invention, additional design measures and cost of smoothing the charging and discharging to avoid a reduction in the life of the energy storage.

Bevorzugt ist der Schwellwert dabei derart gewählt, dass eine Welligkeit des zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstroms keine Stromnulldurchgänge verursacht, denn dann kann eine durch Stromnulldurchgänge verursachte Verringerung der Lebensdauer des Energiespeichers ganz vermieden werden. Preferably, the threshold is chosen such that a ripple of the uninterrupted DC current does not cause current zero crossings, because then a reduction in the life of the energy storage caused by current zero crossings can be completely avoided.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind ein zeitlicher Mittelwert des Lade- und/oder Entladestromes bei einem Laden und/oder Entladen mit dem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom gleich groß wie ein zeitlicher Mittelwert des Lade- und/oder Entladestromes bei einem Laden und/oder Entladen mit einem unterbrechungsfreien Gleichstrom. Dem Energiespeicher wird dann bei einem Laden und/oder Entladen mit dem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom ohne Leistungseinbußen die gleiche elektrische Leistung zugeführt bzw. abgeführt wie bei einem Laden und/oder Entladen mit einem unterbrechungsfreien Gleichstrom. According to a particularly advantageous embodiment, a time average of the charging and / or discharging current during charging and / or discharging with the dc current interrupted is the same as a time average of the charging and / or discharging current during charging and / or discharging with a uninterruptible direct current. The energy storage is then supplied and discharged during charging and / or discharging with the temporary interrupted DC power without sacrificing the same electrical power as in a charging and / or discharging with an uninterruptible direct current.

Eine besonders einfache Realisierung des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms ist dadurch möglich, dass dieser aus einer Pulsfolge, d.h. aus einer zeitlichen Abfolge von Stromimpulsen, besteht. Die Pulsfolge kann dabei auch zeitliche Unterbrechungen aufweisen, d.h. beispielweise aus sich zeitlich wiederholenden Pulssequenzen bestehen. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Stromimpulsen bzw. der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulssequenzen kann dabei an den Typ des Energiespeichers und falls erforderlich auch an den Zustand des Energiespeichers, im Fall einer Batterie, z.B. an den so genannten SOC (state of charge), angepasst werden. Die Information über den Typ und Zustand des Energiespeichers kann beispielsweise von einem Energiespeicher-Managementsystem erhalten werden. Bei einem Laden oder Entladen des Energiespeichers über einen Stromrichter mit einem Zwischenkreis kann die Pulsenergie besonders einfach aus einer Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreises entnommen werden, da die Pulsenergie sehr gering ist und da es sich um kleine Ströme handelt. A particularly simple realization of the temporally interrupted direct current is possible because it consists of a pulse train, ie a time sequence of current pulses. The pulse sequence can also have temporal interruptions, ie, for example, consist of time-repeating pulse sequences. The time interval between two current pulses or the time interval between two pulse sequences can be adapted to the type of energy storage and, if necessary, to the state of the energy storage, in the case of a battery, for example to the so-called SOC (state of charge) , The information about the type and state of the energy storage device can be obtained, for example, from an energy storage management system. When charging or discharging the energy storage device via a power converter with a DC link, the pulse energy can be removed from a DC link capacitance of the DC link in a particularly simple manner, since the pulse energy is very low and because it involves small currents.

Eine Einstellung eines zeitlichen Mittelwertes des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms kann sehr einfach bei zeitlich gleichbleibender Impulsbreite über die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit oder bei gleichbleibender Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit über die Breite der Impulse im Sinne einer Pulsbreitenmodulation oder einer Kombination davon erfolgen. Dies ist bei einer Steuerung/Regelung des Stromes über einen Stromrichter mit steuerbaren Schaltgliedern besonders einfach durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltglieder möglich. An adjustment of a temporal mean value of the DC interruption in time can be carried out very simply with the pulse width constant over the number of pulses per unit of time or with the same number of pulses per unit time over the width of the pulses in the sense of a pulse width modulation or a combination thereof. This is particularly simple in a control / regulation of the current via a power converter with controllable switching elements by a corresponding control of the switching elements possible.

Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren, wenn der Energiespeicher mit Strom aus einer Photovoltaikanlage geladen wird, da dann bei geringer Sonneneinstrahlung niedrige Ladeströme auch über eine längere Zeit vorliegen können. The process according to the invention offers particular advantages when the energy store is charged with power from a photovoltaic system, since low charging currents can then also be present for a relatively long time with low solar irradiation.

Bei einer erfindungsgemäßen Lade- und/oder Entladeeinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, mit einer Steuer-/und oder Regelungseinrichtung für einen Lade- und/oder Entladestrom des Energiespeichers, ist die Steuer-/und oder Regelungseinrichtung derart eingerichtet, dass sie für Lade- und/oder Entladeströme oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwertes einen zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom und unterhalb des Schwellwertes einen zeitlich unterbrochenen Gleichstrom erzeugt. Die für das erfindungsgemäße Verfahren genannten Überlegungen und Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Lade- und/oder Entladeeinrichtung. In a charging and / or discharging device according to the invention for an electrical energy store, in particular a battery, with a control and / or regulating device for a charging and / or discharging current of the energy store, the control and / or regulating device is set up such that it for charging and / or discharging currents above a predetermined or predefinable threshold value, a dc interruption-free time is generated and below the threshold value a dc voltage interrupted in time. The considerations and advantages mentioned for the method according to the invention apply correspondingly to the loading and / or unloading device according to the invention.

Bevorzugt ist der Schwellwert derart gewählt, dass eine Welligkeit des zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstroms keine Stromnulldurchgänge verursacht. The threshold value is preferably selected such that a ripple of the uninterrupted DC current does not cause current zero crossings.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung:

  • – eine erste Steuer- und/oder Regeleinheit für den zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom,
  • – eine zweite Steuer- und/oder Regeleinheit für den zeitlich unterbrochenen Gleichstrom und
  • – eine Umschaltlogik zum Umschalten zwischen der ersten Steuer- und/oder Regeleinheit und der zweiten Steuer- und/oder Regeleinheit in Abhängigkeit von der Höhe des Lade- und/oder Entladestromes.
According to a particularly advantageous embodiment, the control and / or regulating device comprises:
  • A first control and / or regulating unit for the uninterrupted direct current,
  • - A second control and / or regulating unit for the time-interrupted DC and
  • - A switching logic for switching between the first control and / or regulating unit and the second control and / or regulating unit in dependence on the height of the charging and / or discharging current.

Die erste und die zweite Steuer- und/oder Regeleinheit und die Umschaltlogik können dabei in Hardware und/oder Software realisiert sein. The first and the second control and / or regulating unit and the switching logic can be realized in hardware and / or software.

Von Vorteil ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung derart eingerichtet, dass ein zeitlicher Mittelwert des Lade- und/oder Entladestromes bei einem Laden und/oder Entladen mit dem unterbrochenen Gleichstrom gleich groß ist wie ein zeitlicher Mittelwert des Lade- und/oder Entladestromes bei einem Laden und/oder Entladen mit einem unterbrechungsfreien Gleichstrom. Advantageously, the control and / or regulating device is set up such that a time average of the charging and / or discharging current during charging and / or discharging with the interrupted direct current is the same as a time average of the charging and / or discharging current a charging and / or discharging with an uninterruptible direct current.

Der zeitlich unterbrochene Gleichstrom besteht bevorzugt aus einer Pulsfolge. Die Pulsfolge kann dabei auch aus sich wiederholenden, zeitlich voneinander beabstandeten Pulssequenzen bestehen. The interrupted DC current preferably consists of a pulse train. The pulse sequence can also consist of repetitive, temporally spaced-apart pulse sequences.

Eine Einstellung eines zeitlichen Mittelwertes des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms kann dann besonders einfach bei zeitlich gleichbleibender Impulsbreite über die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit, bei gleichbleibender Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit über die Breite der Impulse oder über eine Kombination davon erfolgen. An adjustment of a temporal mean value of the DC current interrupted in time can then be carried out particularly simply with a pulse width that remains constant over the number of pulses per unit time, while the number of pulses per unit time remains constant over the width of the pulses or via a combination thereof.

Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung umfasst die Lade- und/oder Entladeeinrichtung einen Stromrichter mit steuerbaren Schaltgliedern, wobei die Steuer-/und oder Regelungseinrichtung den Lade- und/oder Entladestrom durch Steuerung der Schaltzustände der Schaltglieder steuert und/oder regelt. According to a structurally particularly simple embodiment, the charging and / or discharging device comprises a power converter with controllable switching elements, wherein the control and / or regulating device controls the charging and / or discharging current by controlling the switching states of the switching elements and / or regulates.

Von Vorteil ist die Lade- und/oder Entladeeinrichtung eingangsseitig mit einem elektrischen Versorgungsnetz, einer Spannungsquelle, insbesondere einer Photovoltaikanlage, oder einem Verbraucher und ausgangsseitig mit dem Energiespeicher elektrisch verbindbar. Advantageously, the charging and / or discharging device on the input side with an electrical supply network, a voltage source, in particular a photovoltaic system, or a consumer and the output side electrically connectable to the energy storage.

Die für die vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens genannten Vorteile gelten entsprechend für die jeweils korrespondierenden vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lade- und/oder Entladeeinrichtung. The advantages mentioned for the advantageous embodiments of the method according to the invention apply mutatis mutandis to the respective corresponding advantageous embodiments of the charging and / or discharging device according to the invention.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen: The invention and further advantageous embodiments of the invention according to features of the subclaims are explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in the figures; show in it:

1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Lade- und/oder Entladeeinrichtung, 1 a known from the prior art loading and / or unloading device,

2 einen möglichen Verlauf eines höheren Ladestromes, 2 a possible course of a higher charging current,

3 einen möglichen Verlauf eines niedrigeren Ladestromes, 3 a possible course of a lower charge current,

4 eine erfindungsgemäße Lade- und/oder Entladeeinrichtung und 4 a charging and / or discharging device according to the invention and

5 einen möglichen erfindungsgemäßen Verlauf eines niedrigeren Ladestromes. 5 a possible course according to the invention of a lower charging current.

Die 1 zeigt in vereinfachter Form eine aus dem Stand der Technik bekannte Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 für einen elektrischen Energiespeicher in Form einer Batterie 2. The 1 shows in simplified form a known from the prior art loading and / or unloading device 1 for an electrical energy store in the form of a battery 2 ,

Eine derartige Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 kommt beispielsweise für das Laden von elektrischen Fahrzeugbatterien (z.B. in so genannten "Elektroauto-Ladesäulen“) zum Einsatz. Ein anderer Anwendungsfall liegt in industriellen Anlagen für das Laden und Entladen von Großbatterien zum Stützen von elektrischen Anlagennetzen bei einem Ausfall der Netzspannung. Die über derartige Lade- und/oder Entladeeinrichtungen fließenden elektrischen Ströme liegen dabei üblicherweise bei über 0.5 A, typischerweise bei 0.5 bis 100 A. Such a loading and / or unloading device 1 is used, for example, for charging vehicle electric batteries (eg in so-called "electric car charging stations") Another application is in industrial systems for charging and discharging large batteries for supporting electrical system networks in the event of a mains voltage failure Charging and / or discharging flowing electrical currents are usually at about 0.5 A, typically at 0.5 to 100 A.

Die Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 ist für ein Laden eingangsseitig mit einem elektrischen Versorgungsnetz oder einer Spannungsquelle, z.B. einer Photovoltaikanlage, verbindbar. Zum Entladen ist sie mit einem Verbraucher verbindbar, wobei dieser Verbraucher auch ein an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossener Verbraucher sein kann. Beispielhaft ist in 1 der Fall einer eingangsseitigen Verbindung mit einer Photovoltaikanlage 3 dargestellt. The loading and / or unloading device 1 is on the input side of a shop with an electrical supply network or a voltage source, such as a photovoltaic system, connectable. For unloading, it can be connected to a consumer, and this consumer can also be a consumer connected to an electrical supply network. Exemplary is in 1 the case of an input-side connection with a photovoltaic system 3 shown.

Die Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 umfasst einen Stromrichter 4, über den der der Batterie 2 zugeführte Ladestrom bzw. der von der Batterie 2 abgeführte Entladestrom, für beide Fälle in 1 mit „I“ bezeichnet, gesteuert und/oder geregelt wird. The loading and / or unloading device 1 includes a power converter 4 , over that of the battery 2 supplied charging current or the battery 2 discharged discharge current, for both cases in 1 denoted by "I", controlled and / or regulated.

Der Stromrichter 4 umfasst beispielsweise in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise eine Brückenschaltung mit einer oder mehreren andeutungsweise dargestellte Halbbrücken 5 mit jeweils zwei in Serie geschalteten Schaltgliedern 6, bei denen es sich beispielsweise um Halbleiterschalter, insbesondere IGBT-Halbleiterschalter handelt, sowie einen oder mehrere Gleichspannungszwischenkreise 7 mit einer oder mehreren Zwischenkreiskapazitäten 32. The power converter 4 For example, in a manner known to those skilled in the art, it includes a bridge circuit having one or more half-bridges as indicated 5 each with two series-connected switching elements 6 , which are, for example, semiconductor switches, in particular IGBT semiconductor switch, as well as one or more DC voltage intermediate circuits 7 with one or more DC link capacities 32 ,

Die Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 umfasst weiterhin eine Steuer-/und oder Regelungseinrichtung 10 für den Lade- und/oder Entladestrom I der Batterie 2. Die Steuer-/und oder Regelungseinrichtung 10 steuert bzw. regelt den Lade- und/oder Entladestrom I durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltglieder 6 und somit der Schaltzustände des Stromrichters 4. The loading and / or unloading device 1 further comprises a control and / or regulating device 10 for the charging and / or discharging current I of the battery 2 , The control and / or regulating device 10 controls or regulates the charging and / or discharging current I by a corresponding control of the switching elements 6 and thus the switching states of the power converter 4 ,

Der Stromrichter 4 dient im Fall des Ladens der Batterie 2 mit Strom aus einem Wechselspannungsnetz zur Gleichrichtung des Wechselstromes (d.h. er arbeitet als Gleichrichter bzw. ist als ein Gleichrichter ausgebildet). Im Fall des Entladens der Batterie 2 in ein Wechselspannungsnetz dient der Stromrichter 4 zur Erzeugung einer Wechselspannung zur Einspeisung in das Wechselspannungsnetz (der Stromrichter 4 arbeitet dann als ein Wechselrichter bzw. ist als ein Wechselrichter ausgebildet). Für den Fall, dass der Stromrichter 4 eingangsseitig mit Gleichstrom aus einer Photovoltaikanlage gespeist wird, arbeitet er als ein Gleichstromsteller bzw. ist als ein Gleichstromsteller ausgebildet. The power converter 4 serves in case of charging the battery 2 with current from an alternating voltage network for rectifying the alternating current (ie it operates as a rectifier or is designed as a rectifier). In the case of discharging the battery 2 in an AC voltage network, the power converter is used 4 for generating an alternating voltage for feeding into the alternating voltage network (the power converter 4 then works as an inverter or is designed as an inverter). In the event that the power converter 4 The input side is supplied with direct current from a photovoltaic system, it operates as a DC chopper or is designed as a DC chopper.

Wird die Batterie 2 über den Stromrichter 4 geladen oder entladen, so entsteht – wie in 2 für den Fall eines höheren Ladestromes für die Batterie 2 über der Zeit t dargestellt – ein zeitlich unterbrechungsfreier Strom I’ mit einer geringen Oberwelligkeit und einem zeitlichen Mittelwert M. Will the battery 2 over the power converter 4 charged or discharged, it arises - as in 2 in the event of a higher charge current for the battery 2 represented over the time t - a time-uninterrupted current I 'with a low ripple and a time average M.

Wie in 3 beispielhaft für den Fall eines vergleichsweise niedrigeren Ladestroms über der Zeit t dargestellt, verursacht die Oberwelligkeit bei sehr niedrigen Lade- oder Entladeströmen I einen schnellen Wechsel des zeitlich unterbrechungsfreien Stroms I’ zwischen Laden (wenn I’ > 0) und Entladen (wenn I’ < 0), da der Strom I’ infolge seiner Welligkeit Nulldurchgänge hat. Dieser schnelle Wechsel zwischen Laden und Entladen verringert die Lebensdauer der Batterie 2. As in 3 By way of example, in the case of a comparatively lower charging current over time t, at very low charging or discharging currents I, the superficiality causes a rapid change of the uninterruptible current I 'between charging (when I'> 0) and discharging (when I '< 0) because the current I 'has zero crossings due to its ripple. This fast switch between charging and discharging reduces battery life 2 ,

Soll die Batterie 2 beispielsweise über längere Zeit mit geringer Leistung geladen werden, wie dies beispielsweise im Fall des Ladens der Batterie 2 mit Strom aus der Photovoltaikanlage 3 der Fall sein kann, so geht dies auf Kosten der Batterielebensdauer. Should the battery 2 For example, be charged for a long time with low power, such as in the case of charging the battery 2 with electricity from the photovoltaic system 3 This can be the case at the cost of battery life.

Bei einer in 4 dargestellten erfindungsgemäßen Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 derart eingerichtet, dass sie über den Stromrichter 4 für Lade- und/oder Entladeströme oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwertes S (siehe 2) einen zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom und unterhalb des Schwellwertes S einen zeitlich unterbrochenen Gleichstrom erzeugt. At an in 4 illustrated charging and / or discharging device according to the invention 1 is the control and / or regulating device 10 set up so that they have the power converter 4 for charging and / or discharging currents above a predetermined or predefinable threshold value S (see 2 ) generates a dc interruption-free time and below the threshold value S a dc current interrupted in time.

Die Steuer-/und oder Regelungseinrichtung 10 umfasst hierzu

  • – eine erste Steuer- und/oder Regeleinheit 11 für den zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom,
  • – eine zweite Steuer- und/oder Regeleinheit 12 für den zeitlich unterbrochenen Gleichstrom und
  • – eine Umschaltlogik 13 zum Umschalten zwischen der ersten Steuer- und/oder Regeleinheit 11 und der zweiten Steuer- und/oder Regeleinheit 12 in Abhängigkeit von der Höhe des Lade- bzw. Entladestromes I.
The control and / or regulating device 10 includes this
  • - a first control and / or regulating unit 11 for the uninterrupted direct current,
  • - a second control and / or regulating unit 12 for the time-interrupted DC and
  • - a switching logic 13 for switching between the first control and / or regulating unit 11 and the second control unit 12 as a function of the magnitude of the charging or discharging current I.

Die erste und die zweite Steuer- und/oder Regeleinheit 11, 12 und die Umschaltlogik 13 können dabei in Hardware und/oder Software realisiert sein. The first and second control and / or regulating units 11 . 12 and the switching logic 13 can be realized in hardware and / or software.

Die Umschaltlogik 13 ist zur Messung des Lade- bzw. Entladestromes I mit einem zwischen den Stromrichter 4 und der Batterie 2 geschalteten Stromsensor 14 für den Lade- bzw. Entladestrom I verbunden und umfasst ein Vergleichsglied 15 zum Vergleich des gemessenen Lade- bzw. Entladestromes I mit dem in dem Vergleichsglied 15 abgespeicherten, von dem Vergleichsglied 15 ermittelten oder von extern vorgebbaren Schwellwert S und ein Schaltglied 16 zur Umschaltung zwischen den Steuer- und/oder Regeleinheiten 11, 12. The switching logic 13 is to measure the charge or discharge current I with a between the power converter 4 and the battery 2 switched current sensor 14 for the charging or discharging current I and comprises a comparison element 15 for comparing the measured charge or discharge current I with that in the comparison element 15 stored by the comparator 15 determined or externally specified threshold value S and a switching element 16 for switching between the control and / or regulating units 11 . 12 ,

Wie in 5 wiederum beispielhaft für den Fall eines vergleichsweise niedrigeren Ladenstromes I über der Zeit t dargestellt, erfolgt das Laden bzw. Entladen der Batterie 2 für Ladeströme bzw. Entladeströme I dann unterhalb des Schwellwertes S mit einem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom I*. Die zeitlichen Unterbrechungen und ein Sollwert des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms I* sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass ein zeitlicher Mittelwert des Ladestromes bzw. Entladestromes gleich groß ist wie ein zeitlicher Mittelwert des Ladestromes bzw. Entladestromes bei einem Laden mit einem unterbrechungsfreien Gleichstrom I’ mit einem entsprechend geringeren Sollwert aber gleichem elektrischen Leistungsfluss. Der Schwellwert S ist dabei derart gewählt, dass eine Welligkeit des zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstroms keine Stromnulldurchgänge verursacht. As in 5 again exemplified in the case of a comparatively lower charging current I over time t, the charging or discharging of the battery takes place 2 for charging currents or discharge currents I then below the threshold value S with a dc current I * interrupted in time. The temporal interruptions and a set value of the temporally interrupted direct current I * are matched to one another such that a time average of the charging current or discharge current is the same as a time average of the charging current or discharge current in a charging with an uninterruptible direct current I 'with a correspondingly lower set point but the same electrical power flow. The threshold value S is chosen such that a ripple of the uninterrupted DC current does not cause current zero crossings.

Der zeitlich unterbrochene Gleichstrom besteht hierzu aus einer Pulsfolge 20, die wiederum aus sich wiederholenden, zeitlich voneinander beabstandeten Pulssequenzen 21 besteht. Jede der Pulssequenzen 21 besteht wiederum aus einer Abfolge von einzelnen Stromimpulsen 22. The interrupted DC current consists of a pulse train 20 , in turn, from repetitive, temporally spaced pulse sequences 21 consists. Each of the pulse sequences 21 again consists of a sequence of individual current pulses 22 ,

Durch das Pulsen des Stromes mit einem im Vergleich zu einem unterbrechungsfreien Gleichstrom höheren Wert können Stromnulldurchgänge und somit eine Verringerung der Lebensdauer der Batterie 2 sicher vermieden werden. By pulsing the current with a higher value compared to an uninterruptible DC current, current passes and thus a reduction in the life of the battery 2 safely avoided.

Eine Einstellung des zeitlichen Mittelwertes des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms I* kann durch die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 bei zeitlich gleich bleibender Impulsbreite über die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit, bei gleich bleibender Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit über die Breite der Impulse im Sinne einer Pulsbreitenmodulation oder alternativ über eine Kombination davon erfolgen. A setting of the time average of the temporally interrupted direct current I * can by the control and / or regulating device 10 at the same time pulse width across the number of pulses per unit time, with the same number of pulses per unit time over the width of the pulses in terms of pulse width modulation or alternatively via a combination thereof.

Wie aus 5 ersichtlich ist, ist eine zeitliche Unterbrechung zwischen zwei Pulssequenzen 21 deutlich größer als eine zeitliche Unterbrechung zwischen zwei Impulsen 22 innerhalb einer Pulssequenz 21. How out 5 is apparent, is a temporal interruption between two pulse sequences 21 significantly larger than a time interruption between two pulses 22 within a pulse sequence 21 ,

Die Anzahl der Impulse 22, der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen 22 oder der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulssequenzen 21 kann durch die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 an den Typ der Batterie 2 und auch an den Zustand der Batterie 2, z.B. an den sogenannten SOC (state of charge), angepasst werden. Eine Information über den Typ T und Zustand Z der Batterie 2 kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 beispielsweise von einem Batterie-Managementsystem 30 der Batterie 2 erhalten, mit dem es über eine Kommunikationsverbindung 31 verbunden ist. The number of pulses 22 , the time interval between two pulses 22 or the time interval between two pulse sequences 21 can by the control and / or regulating device 10 to the type of battery 2 and also to the condition of the battery 2 , for example, to the so-called SOC (state of charge), to be adjusted. Information about the type T and state Z of the battery 2 may be the control and / or regulating device 10 for example, from a battery management system 30 the battery 2 received, with which it has a communication connection 31 connected is.

Die Pulsenergie für die Stromimpulse 22 kann einer Zwischenkreiskapazität 32 des Zwischenkreises 7 des Stromrichters 4 entnommen werden, da die Pulsenergie sehr gering ist und da es sich um kleine Ströme handelt. The pulse energy for the current pulses 22 can be a DC link capacity 32 of the DC link 7 of the power converter 4 are removed because the pulse energy is very low and because it is small currents.

Bei dem Ausführungsbeispiel beträgt der Schwellwert S beispielsweise 0,6 ... 0,8 A. Die Impulse 22 haben beispielsweise einen Maximalwert von 1,0 ... 1,2 A und eine Breite von 1 ... 10 ms (Netz- oder Regelungswelligkeit), wobei eine Pulssequenz 21 aus z.B. vier Impulsen 22 besteht und die Pulssequenzen 21 wiederum einen zeitlichen Abstand von z.B. zweimal der Breite der Pulssequenzen 21 haben. Durch den Abstand der Impulsbreiten kann der effektive Strommittelwert eingestellt werden. In the exemplary embodiment, the threshold value S is, for example, 0.6... 0.8 A. The pulses 22 For example, have a maximum value of 1.0 ... 1.2 A and a width of 1 ... 10 ms (network or control ripple), with a pulse sequence 21 from eg four pulses 22 exists and the pulse sequences 21 again a time interval of eg twice the width of the pulse sequences 21 to have. By the distance of the pulse widths of the effective average current value can be adjusted.

Zusammengefasst lässt mit der vorstehend beschriebenen Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 und dem beschriebenen Verfahren die Batterie 2 über längere Zeit mit geringer Leistung laden oder entladen, wie dies beispielsweise im Fall des Ladens einer Batterie mit Strom aus der Photovoltaikanlage 3 der Fall sein kann, ohne dass hierdurch die Lebensdauer der Batterie 2 beeinträchtigt wird. In summary, leaves with the loading and / or unloading device described above 1 and the method described the battery 2 Charge or discharge for a long time with low power, such as in the case of charging a battery with power from the photovoltaic system 3 this may be the case without thereby shortening the life of the battery 2 is impaired.

Claims (15)

Verfahren zum Laden und/oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers (2), insbesondere einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden und/oder Entladen des Energiespeichers für Lade- und/oder Entladeströme (I) oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwertes (S) mit einem zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom (I’) und unterhalb des Schwellwertes (S) mit einem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom (I*) erfolgt. Method for charging and / or discharging an electrical energy store ( 2 ), in particular a battery, characterized in that the charging and / or discharging of the energy store for charging and / or discharging currents (I) above a predetermined or predeterminable threshold value (S) with a time-interrupting direct current (I ') and below the threshold value (S) with a dc current interrupted (I *). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (S) derart gewählt wird, dass eine Welligkeit des zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstroms (I’) keine Stromnulldurchgänge verursacht. A method according to claim 1, characterized in that the threshold value (S) is selected such that a ripple of the uninterrupted direct current (I ') causes no current zero crossings. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Mittelwert (M) des Lade- und/oder Entladestromes (I) bei einem Laden und/oder Entladen mit dem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom (I*) gleich groß ist wie ein zeitlicher Mittelwert (M) des Lade- und/oder Entladestromes (I) bei einem Laden und/oder Entladen mit einem unterbrechungsfreien Gleichstrom (I’). A method according to claim 1 or 2, characterized in that a time average value (M) of the charging and / or discharging current (I) during charging and / or discharging with the temporally interrupted direct current (I *) is the same as a time average (M) of the charging and / or discharging current (I) during charging and / or discharging with an uninterruptible direct current (I '). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitlich unterbrochene Gleichstrom (I*) aus einer Pulsfolge (20), insbesondere aus einer Pulsfolge (20) aus sich wiederholenden, zeitlich voneinander beabstandeten Pulssequenzen (20), besteht. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temporally interrupted direct current (I *) from a pulse sequence ( 20 ), in particular from a pulse sequence ( 20 ) from repetitive, temporally spaced pulse sequences ( 20 ), consists. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstellung eines zeitlichen Mittelwertes (M) des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms (I*) bei zeitlich gleichbleibender Impulsbreite über die Anzahl der Impulse (22) pro Zeiteinheit, bei gleichbleibender Anzahl der Impulse (22) pro Zeiteinheit über die Breite der Impulse (22) oder über eine Kombination davon erfolgt. A method according to claim 4, characterized in that an adjustment of a time average (M) of the temporally interrupted direct current (I *) with a temporally constant pulse width over the number of pulses ( 22 ) per unit time, with the same number of pulses ( 22 ) per unit time across the width of the pulses ( 22 ) or a combination thereof. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lade- und/oder Entladestrom (I) über einen Stromrichter (4) gesteuert und/oder geregelt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the charging and / or discharging current (I) via a power converter ( 4 ) is controlled and / or regulated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (2) mit Strom aus einer Photovoltaikanlage (3) geladen wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the energy store ( 2 ) with electricity from a photovoltaic system ( 3 ) is loaded. Lade- und/oder Entladeeinrichtung (1) für einen elektrischen Energiespeicher (2), insbesondere eine Batterie, mit einer Steuer-/und oder Regelungseinrichtung (10) für einen Lade- und/oder Entladestrom des Energiespeichers (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (10) derart eingerichtet ist, dass sie für Lade- und/oder Entladeströme (I) oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwertes (S) einen zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom (I’) und unterhalb des Schwellwertes (S) einen zeitlich unterbrochenen Gleichstrom (I*) erzeugt. Charging and / or unloading device ( 1 ) for an electrical energy store ( 2 ), in particular a battery, with a control / and / or regulating device ( 10 ) for a charging and / or discharging current of the energy store ( 2 ), characterized in that the control and / or regulating device ( 10 ) is set up in such a way that it generates, for charging and / or discharging currents (I) above a predetermined or specifiable threshold value (S), a DC interruption (I ') which is uninterrupted in time and below the threshold value (S), a dc current (I *) interrupted in time , Lade- und/oder Entladeeinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (S) derart gewählt ist, dass eine Welligkeit des zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstroms (I’) keine Stromnulldurchgänge verursacht. Charging and / or unloading device ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the threshold value (S) is chosen such that a ripple of the uninterrupted DC current (I ') does not cause current zero crossings. Lade- und/oder Entladeeinrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (10) umfasst: – eine erste Steuer- und/oder Regeleinheit (11) für den zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom (I’), – eine zweite Steuer- und/oder Regeleinheit (12) für den zeitlich unterbrochenen Gleichstrom (I*) und – eine Umschaltlogik (13) zum Umschalten zwischen der ersten Steuer- und/oder Regeleinheit (11) und der zweiten Steuer- und/oder Regeleinheit (12) in Abhängigkeit von der Höhe des Lade- und/oder Entladestromes (I). Charging and / or unloading device ( 1 ) according to claim 8 or 9, characterized in that the control and / or regulating device ( 10 ) comprises: - a first control unit ( 11 ) for the uninterrupted direct current (I '), - a second control and / or regulating unit ( 12 ) for the interrupted dc current (I *) and - a switching logic ( 13 ) for switching between the first control and / or regulating unit ( 11 ) and the second control unit ( 12 ) as a function of the level of the charging and / or discharging current (I). Lade- und/oder Entladeeinrichtung (1) nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (10) derart eingerichtet ist, dass ein zeitlicher Mittelwert des Lade- und/oder Entladestromes (I) bei einem Laden und/oder Entladen mit dem unterbrochenen Gleichstrom (I*) gleich groß ist wie ein zeitlicher Mittelwert des Lade- und/oder Entladestromes (I) bei einem Laden und/oder Entladen mit einem unterbrechungsfreien Gleichstrom (I’). Charging and / or unloading device ( 1 ) according to claim 8, 9 or 10, characterized in that the control and / or regulating device ( 10 ) is set up such that a time average of the charging and / or discharging current (I) during charging and / or discharging with the interrupted direct current (I *) is the same as a time average of the charging and / or discharging current (I when charging and / or discharging with an uninterruptible direct current (I '). Lade- und/oder Entladeeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitlich unterbrochene Gleichstrom (I*) aus einer Pulsfolge (20), insbesondere aus einer Pulsfolge (20) aus sich wiederholenden, zeitlich voneinander beabstandeten Pulssequenzen (21), besteht. Charging and / or unloading device ( 1 ) according to one of claims 8 to 11, characterized in that the temporally interrupted direct current (I *) from a pulse sequence ( 20 ), in particular from a pulse sequence ( 20 ) from repetitive, temporally spaced pulse sequences ( 21 ), consists. Lade- und/oder Entladeeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (10) derart eingerichtet ist, dass eine Einstellung des zeitlichen Mittelwertes (M) des Gleichstroms (I) bei zeitlich gleichbleibender Impulsbreite über die Anzahl der Impulse (22) pro Zeiteinheit, bei gleichbleibender Anzahl der Impulse (22) pro Zeiteinheit über die Breite der Impulse (22) oder über eine Kombination davon erfolgt. Charging and / or unloading device ( 1 ) according to one of claims 11 to 12, characterized in that the control and / or regulating device ( 10 ) is set up in such a way that an adjustment of the mean time value (M) of the direct current (I) with a pulse width that is constant over the number of pulses ( 22 ) per unit time, with the same number of pulses ( 22 ) per unit time across the width of the pulses ( 22 ) or a combination thereof. Lade- und/oder Entladeeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet durch einen Stromrichter (4) mit steuerbaren Schaltgliedern (6), wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (10) den Lade- und/oder Entladestrom (I) durch Steuerung der Schaltzustände der Schaltglieder (6) steuert und/oder regelt. Charging and / or unloading device ( 1 ) according to one of claims 8 to 13, characterized by a power converter ( 4 ) with controllable switching elements ( 6 ), wherein the control and / or regulating device ( 10 ) the charging and / or discharging current (I) by controlling the switching states of the switching elements ( 6 ) controls and / or regulates. Lade- und/oder Entladeeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie eingangsseitig mit einem elektrischen Versorgungsnetz, einer Spannungsquelle, insbesondere einer Photovoltaikanlage (3), oder einem Verbraucher und ausgangsseitig mit dem Energiespeicher (2) elektrisch verbindbar ist. Charging and / or unloading device ( 1 ) according to one of claims 8 to 14, characterized in that it has an input side with an electrical supply network, a voltage source, in particular a photovoltaic system ( 3 ), or a consumer and the output side with the energy storage ( 2 ) is electrically connected.
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US20120043923A1 (en) * 2010-08-18 2012-02-23 Alexandr Ikriannikov System, Method, Module, And Energy Exchanger For Optimizing Output Of Series-Connected Photovoltaic And Electrochemical Devices

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