DE102012209741A1

DE102012209741A1 - Verfahren zum Betreiben einer Batterie und Batterie

Info

Publication number: DE102012209741A1
Application number: DE201210209741
Authority: DE
Inventors: Ernst Brunner; Günter Sturm; Martin Elmer
Original assignee: VARTA Microbattery GmbH
Current assignee: VARTA Microbattery GmbH
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2013-12-12

Abstract

Eine Batterie (1) weist einen Akkumulator (6) mit geringer Kapazität auf, der im Erhaltungsladebetrieb auf einem konstanten Bereitschaftslevel gehalten wird. Der Akkumulator (6) dient zum Überführen der Batterie von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie und eine Batterie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie und eine Batterie zur Verfügung zu stellen, die ein einfaches und zuverlässiges Starten der Batterie, beispielsweise als Notstromversorgung beim Ausfall einer Netzspannung, ermöglichen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Batterie nach Anspruch 6.
Das Verfahren dient zum Betreiben einer Batterie.
Die Batterie weist einen Gleichspannungsbus auf, beispielsweise in Form eines Leitungspaars oder einer zweipoligen Stromschiene, auf dem elektrische Energie übertragbar ist.
Weiter weist die Batterie eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf, beispielsweise zwei oder mehr als zwei Batteriemodule, wobei die Batteriemodule mit dem Gleichspannungsbus elektrisch gekoppelt sind.
Ein jeweiliges Batteriemodul weist mindestens eine wiederaufladbare Zelle, auch als sekundäre Zelle bezeichnet, zum Speichern von elektrischer Energie auf elektrochemischer Basis auf.
Weiter weist ein jeweiliges Batteriemodul einen Gleichspannungswandler auf, der auch als Gleichstromwandler, Gleichstromsteller oder Konverter bezeichnet wird. Der Gleichspannungswandler dient als Ausgangsgleichspannungserzeugungseinrichtung oder Zwischenkreisspannungserzeugungseinrichtung. Der Gleichstromwandler weist herkömmlich eine Steuereinheit und eine mittels der Steuereinheit angesteuerte Halb- oder Vollbrückenschaltung zur Erzeugung einer mittelfrequenten Wechselspannung auf, die im Zuge der Spannungskonvertierung benötigt wird.
Wenn der Gleichstromwandler bzw. dessen Steuereinheit und weitere Schaltungsteile mit Betriebsenergie vorsorgt ist/sind, erzeugt der Gleichstromwandler in einer spezifischen Entladebetriebsart aus einer Zellenausgangsgleichspannung der mindestens einen Zelle eine Ausgangsgleichspannung mit in Bezug auf die Zellenausgangsgleichspannung höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau und gibt die Ausgangsgleichspannung auf dem Gleichspannungsbus aus. Die von den Batteriemodulen jeweils ausgegebenen Ausgangsgleichspannungen überlagern sich auf dem Gleichspannungsbus zu einer so genannten Zwischenkreisspannung.
Der Gleichstromwandler kann in weiteren spezifischen Betriebsarten betreibbar sein. Beispielsweise kann eine Stand-By-Betriebsart vorgesehen sein, in der der Gleichstromwandler zwar mit Betriebsenergie vorsorgt ist, jedoch keine Ausgangsgleichspannung erzeugt.
Wenn der Gleichspannungswandler nicht mit Betriebsenergie vorsorgt ist, gibt er keine Ausgangsgleichspannung auf dem Gleichspannungsbus aus, da beispielsweise die Steuereinheit des Gleichstromwandlers nicht mit Betriebsenergie versorgt ist und daher die Brückenschaltung nicht geeignet ansteuern kann.
Die Batterie weist weiter einen Energiespeicher auf, beispielsweise in Form eines Akkumulators mit geringer Kapazität, der typisch im Erhaltungsladebetrieb auf einem konstanten Bereitschaftslevel gehalten wird.
Die folgenden Verfahrensschritte dienen zum Überführen der Batterie von einem Aus-Zustand, in dem sämtliche Gleichspannungswandler der jeweiligen Batteriemodule betriebsenergiefrei sind, in einen Ein-Zustand, in dem die Gleichspannungswandler der jeweiligen Batteriemodule mit Betriebsenergie versorgt sind und daher zur Zwischenkreis- bzw. Ausgangsgleichspannungserzeugung auf dem Gleichspannungsbus in der Lage sind. Ein derartiger Aus-Zustand kann beispielsweise bei einem Netzausfall eintreten.
In einem Schritt a) wird zunächst mindestens ein Batteriemodul der Mehrzahl von Batteriemodulen bzw. dessen Gleichspannungswandler ausschließlich mit Betriebsenergie aus dem Energiespeicher versorgt, so dass dieses/dieser grundsätzlich zur Erzeugung der Ausgangsgleichspannung befähigt wird.
In einem nachfolgenden Schritt b) wird die Entladebetriebsart des mittels des Energiespeichers mit Betriebsenergie versorgten Gleichspannungswandlers eingestellt, so dass dieser die Ausgangsgleichspannung auf dem Gleichspannungsbus erzeugt. Das Einstellen der Entladebetriebsart kann durch das Batteriemodul bzw. dessen Gleichspannungswandler selbst erfolgen oder durch eine übergeordnete Steuereinrichtung bewirkt werden.
In einem nachfolgenden Schritt c) wird die Versorgung des Batteriemoduls bzw. dessen Gleichspannungswandlers von Energiespeicherversorgung auf Ausgangsgleichspannungsversorgung, d.h. im Ergebnis Zellenversorgung, umgeschaltet. Hierzu wird das Versorgen des Batteriemoduls bzw. dessen Gleichspannungswandlers mit Betriebsenergie aus dem Energiespeicher beendet und das Batteriemodul bzw. dessen Gleichspannungswandler wird stattdessen mit Betriebsenergie versorgt, die aus der Ausgangsgleichspannung, d.h. im Ergebnis aus der Zellenausgangsgleichspannung, gewonnen wird. Es versteht sich, dass der Umschaltvorgang derart auszuführen ist, dass keine Unterbrechung der Energieversorgung des Gleichspannungswandlers erfolgt.
In einem nachfolgenden Schritt d) können die Gleichspannungswandler sämtlicher Batteriemodule mit Betriebsenergie versorgt werden, die aus der Ausgangsgleichspannung gewonnen wird.
Die Batterie kann einen Wechselrichter aufweisen, der mit dem Gleichspannungsbus gekoppelt ist, wobei das Verfahren für diesen Fall weiter den Schritt aufweist: e) Erzeugen einer Netzwechselspannung aus der auf dem Gleichspannungsbus anstehenden Zwischenkreis- bzw. Ausgangsgleichspannung mittels des Wechselrichters. Die Batterie kann für diesen Fall als Notstromversorgung verwendet werden.
Die Gleichspannungswandler der jeweiligen Batteriemodule können dazu ausgebildet sein, in einer Ladebetriebsart die Zellen auf Basis elektrischer Energie zu laden, die auf dem Gleichspannungsbus zur Verfügung gestellt wird.
Die Batterie kann eine Steuereinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Betriebsart der Gleichspannungswandler der jeweiligen Batteriemodule einzustellen. Für diesen Fall weist Schritt a) weiter einen Schritt a1) auf, bei dem auch die Steuereinrichtung mit Betriebsenergie aus dem Energiespeicher versorgt wird. Im Schritt b) erfolgt das Einstellen der Entladebetriebsart übergeordnet durch die Steuereinrichtung. Der Schritt c) weist weiter einen Schritt c1) auf, bei dem das Versorgen der Steuereinrichtung mit Betriebsenergie aus dem Energiespeicher beendet wird und stattdessen die Steuereinrichtung entsprechend zum Gleichspannungswandler mit Betriebsenergie versorgt wird, die aus der Ausgangsgleichspannung gewonnen wird.
Die Batterie ist die zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:
1 eine Batterie in einem ersten stromlosen Zustand,
2 die in 1 gezeigte Batterie in einem ersten Anfahrzustand,
3 die in 1 gezeigte Batterie in einem zweiten Anfahrzustand,
4 die in 1 gezeigte Batterie in einem dritten Anfahrzustand und
5 die in 1 gezeigte Batterie in einem Betriebszustand.
1 zeigt eine Batterie 1 in einem Anfangszustand, beispielsweise kurz nachdem eine Netzspannung ausgefallen ist.
Die Batterie 1 weist eine Mehrzahl von Batteriemodulen 3_1 bis 3_n auf, beispielsweise je nach gewünschter Batteriekapazität zwischen 2 und 100 Batteriemodule, die jeweils mit einem Gleichspannungsbus 2 elektrisch gekoppelt sind. Auf dem Gleichspannungsbus 2 steht im normalen Betriebsfall eine so genannte Zwischenkreisspannung an, die durch Überlagern der von den Batteriemodulen 3_1 bis 3_n erzeugten Ausgangsgleichspannungen UA erzeugt wird. Wenn nur ein einzelnes Batteriemodul eine Ausgangsgleichspannungen UA erzeugt, kann die Zwischenkreisspannung identisch mit der Ausgangsgleichspannungen UA dieses Batteriemoduls sein.
Die Batterie 1 weist weiter einen Energiespeicher in Form eines Akkumulators 6, eine zentrale Steuereinrichtung 9, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, einen Wechselrichter 7 und einen Gleichspannungswandler 8 auf.
Ein jeweiliges Batteriemodul 3_1 bis 3_n (exemplarisch für das Batteriemodul 3_1 gezeigt) weist mindestens eine wiederaufladbare Zelle 4 zum Speichern von elektrischer Energie auf elektrochemischer Basis und einen Gleichspannungswandler 5 auf.
Wenn der Gleichspannungswandler 5 eines jeweiligen Batteriemoduls 3_1 bis 3_5 mit Betriebsenergie vorsorgt ist und sich in einer Entladebetriebsart befindet, erzeugt er aus einer Zellenausgangsgleichspannung UZ der mindestens einen Zelle 4 eine Ausgangsgleichspannung UA mit in Bezug auf die Zellenausgangsgleichspannung UZ höherem Spannungsniveau und gibt die Ausgangsgleichspannung UA auf dem Gleichspannungsbus 2 aus.
Wenn der Gleichspannungswandler 5 nicht mit Betriebsenergie vorsorgt ist, gibt er keine Ausgangsgleichspannung UA auf dem Gleichspannungsbus 2 aus.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wie die Batterie 1 von einem Aus-Zustand, in dem die Gleichspannungswandler 5 der jeweiligen Batteriemodule 3_1 bis 3_n nicht mit Betriebsenergie versorgt sind, in einen Ein-Zustand überführt wird, in dem die Gleichspannungswandler 5 der jeweiligen Batteriemodule 3_1 bis 3_n mit Betriebsenergie versorgt sind und jeweils eine Ausgangsgleichspannung UA erzeugen. Basierend darauf erzeugt der Frequenzumrichter 7 eine Netzspannung, die zur Notstromversorgung ausgeben werden kann.
1 zeigt den Aus-Zustand, d.h. den stromlosen Fall, bei dem die Batteriemodule 3_1 bis 3_n nicht in der Lage sind, eine geeignete Ausgangsgleichspannung UA auf dem Gleichspannungsbus 2 auszugeben.
2 zeigt einen nachfolgenden Zustand, bei dem die Steuereinrichtung 9 und das erste Batteriemodul 3_1 bzw. dessen Gleichspannungswandler 5 aus dem Akkumulator 6 mit Betriebsenergie versorgt werden und daher grundsätzlich betriebsbereit sind.
In 3 ist ein sich anschließender Zustand dargestellt, bei dem die Steuereinrichtung 9 dem ersten Batteriemodul 3_1 bzw. dessen Gleichspannungswandler 5 die Freigabe zur Erzeugung der Ausgangsgleichspannung UA gibt, d.h. die Steuereinrichtung 9 stellt die Entladebetriebsart des Gleichspannungswandlers 5 ein, so dass dieser die Ausgangsgleichspannung UA, beispielsweise mit einem Pegel zwischen 500V bis 1000V, als Zwischenkreisspannung auf dem Gleichspannungsbus 2 erzeugt.
Die nun auf dem Gleichspannungsbus 2 zur Verfügung stehende Zwischenkreis- bzw. Ausgangsgleichspannung wird mittels des Gleichspannungswandlers 8 auf ein Spannungsniveau umgewandelt, das zur Versorgung der Steuereinrichtung 9 und der Batteriemodule 3_1 bis 3_n bzw. deren Gleichspannungswandler 5 geeignet ist.
4 zeigt einen nachfolgenden Zustand, bei dem die Energieversorgung sowohl der Steuereinrichtung 9 als auch sämtlicher Batteriemodule 3_1 bis 3_n (bzw. der Gleichspannungswandler 5 der Batteriemodule 3_1 bis 3_n) aus der Spannung erfolgt, die durch Umwandeln des Spannungsniveaus der Zwischenkreis- bzw. Ausgangsgleichspannung gewonnen wird, wobei zuvor ein Umschalten von der Versorgung aus dem Akkumulator 6 auf Zwischenkreisversorgung stattgefunden hat. Die Steuereinrichtung 9 steuert die Batteriemodule 3_2 bis 3_n zum Wechseln in die Entladebetriebsart an, so dass auch die Batteriemodule 3_2 bis 3_n jeweils zur Erzeugung der Zwischenkreisspannung beitragen.
In 5 ist gezeigt, wie sämtliche Batteriemodule 3_1 bis 3_n den Wechselrichter 7 zur Erzeugung einer Notstromversorgung speisen.
Erfindungsgemäß wird ein Akkumulator 6 mit geringer Kapazität im Erhaltungsladebetrieb auf einem konstanten Bereitschaftslevel gehalten.
Wenn der in 1 gezeigte Fall eintritt, dass die Batterie 1 stromlos ist und auch keine Energie aus dem Wechselspannungsnetz bezogen werden kann, setzt der Akkumulator 6 die Steuereinrichtung 9 in Gang und versorgt mindestens eines der Batteriemodule 3_1 bis 3_n. Die Steuereinrichtung 9 kann nun diesem Batteriemodul 3_1 die Freigabe erteilen, eine Zwischenkreisspannung auf dem Gleichspannungsbus 2 aufzubauen.
Die derart erzeugte Zwischenkreisspannung versorgt anschließend sämtliche Batteriemodule 3_1 bis 3_n und übernimmt auch die Versorgung der Steuereinrichtung 9.
Damit ist die Batterie 1 in einem betriebsbereiten Zustand und kann beispielsweise Notstrom-Generatorfunktionen übernehmen.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Batterie (1), wobei die Batterie (1) aufweist: – einen Gleichspannungsbus (2), – eine Mehrzahl von Batteriemodulen (3_1 bis 3_n), wobei die Batteriemodule (3_1 bis 3_n) mit dem Gleichspannungsbus (2) elektrisch gekoppelt sind und jeweils aufweisen: – mindestens eine wiederaufladbare Zelle (4) zum Speichern von elektrischer Energie auf elektrochemischer Basis und – einen Gleichspannungswandler (5), der dazu ausgebildet ist, – wenn er mit Betriebsenergie vorsorgt ist, in einer Entladebetriebsart eine Zellenausgangsgleichspannung (UZ) der mindestens einen Zelle (4) in eine Ausgangsgleichspannung (UA) mit in Bezug auf die Zellenausgangsgleichspannung (UZ) höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umzuwandeln und die Ausgangsgleichspannung (UA) auf dem Gleichspannungsbus (2) auszugeben, und – wenn er nicht mit Betriebsenergie vorsorgt ist, keine Ausgangsgleichspannung (UA) auf dem Gleichspannungsbus (2) auszugeben, und – einen Energiespeicher (6), – wobei zum Überführen der Batterie (1) von einem Aus-Zustand, in dem die Gleichspannungswandler (5) der jeweiligen Batteriemodule (3_1 bis 3_n) nicht mit Betriebsenergie versorgt sind, in einen Ein-Zustand, in dem die Gleichspannungswandler (5) der jeweiligen Batteriemodule (3_1 bis 3_n) mit Betriebsenergie versorgt sind, folgende Schritte durchgeführt werden: a) Versorgen des Gleichspannungswandlers (5) mindestens eines Batteriemoduls (3_1) der Mehrzahl von Batteriemodulen (3_1 bis 3_n) mit Betriebsenergie aus dem Energiespeicher (6), b) Einstellen der Entladebetriebsart des mittels des Energiespeichers (6) mit Betriebsenergie versorgten Gleichspannungswandlers (5), so dass dieser die Ausgangsgleichspannung (UA) auf dem Gleichspannungsbus (2) ausgibt, und c) Beenden des Versorgens des Gleichspannungswandlers (5) des mindestens einen Batteriemoduls (3_1) mit Betriebsenergie aus dem Energiespeicher (6) und Versorgen des Gleichspannungswandlers (5) des mindestens einen Batteriemoduls (3_1) mit Betriebsenergie, die aus der Ausgangsgleichspannung (UA) gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: d) Versorgen der Gleichspannungswandler (5) sämtlicher Batteriemodule (3_1 bis 3_n) mit Betriebsenergie, die aus der Ausgangsgleichspannung (UA) gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) aufweist: – einen Wechselrichter (7), der mit dem Gleichspannungsbus (2) gekoppelt ist, – wobei das Verfahren weiter den Schritt aufweist: e) Erzeugen einer Netzwechselspannung aus der auf dem Gleichspannungsbus (2) anstehenden Spannung mittels des Wechselrichters (7).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler (5) der jeweiligen Batteriemodule (3_1 bis 3_n) dazu ausgebildet sind, wenn sie mit Betriebsenergie vorsorgt sind, in einer Ladebetriebsart die Zellen (2) mit elektrischer Energie zu laden, die auf dem Gleichspannungsbus (4) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) aufweist: – eine Steuereinrichtung (9), die dazu ausgebildet ist, die Betriebsart der Gleichspannungswandler (5) der jeweiligen Batteriemodule (3_1 bis 3_n) einzustellen, – wobei Schritt a) weiter aufweist: a1) Versorgen der Steuereinrichtung (9) mit Betriebsenergie aus dem Energiespeicher (6), – wobei im Schritt b) das Einstellen der Entladebetriebsart durch die Steuereinrichtung (9) erfolgt und – wobei der Schritt c) weiter aufweist: c1) Beenden des Versorgens der Steuereinrichtung (9) mit Betriebsenergie aus dem Energiespeicher (6) und Versorgen der Steuereinrichtung (9) mit Betriebsenergie, die aus der Ausgangsgleichspannung (UA) gewonnen wird.
Batterie (1), die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist, aufweisend, – einen Gleichspannungsbus (2), – eine Mehrzahl von Batteriemodulen (3_1 bis 3_n), wobei die Batteriemodule (3_1 bis 3_n) mit dem Gleichspannungsbus (2) elektrisch gekoppelt sind und jeweils aufweisen: – mindestens eine wiederaufladbare Zelle (4) zum Speichern von elektrischer Energie auf elektrochemischer Basis und – einen Gleichspannungswandler (5), der dazu ausgebildet ist, – wenn er mit Betriebsenergie vorsorgt ist, in einer Entladebetriebsart eine Zellenausgangsgleichspannung (UZ) der mindestens einen Zelle (4) in eine Ausgangsgleichspannung (UA) mit in Bezug auf die Zellenausgangsgleichspannung (UZ) höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umzuwandeln und die Ausgangsgleichspannung (UA) auf dem Gleichspannungsbus (2) auszugeben, und – wenn er nicht mit Betriebsenergie vorsorgt ist, keine Ausgangsgleichspannung (UA) auf dem Gleichspannungsbus (2) auszugeben, – einen Energiespeicher (6) und – eine Steuereinrichtung (9).