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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Traktionsbatterien aus Kraftfahrzeugen. Die Traktionsbatterien befinden sich hierbei in einer stationären Anlage, beispielsweise einer Produktionsanlage, einer Fertigungsanlage und/oder einer Beleuchtungsanlage. Die Traktionsbatterien werden als Bestandteil eines Energiepuffers für die Anlage betrieben. Der Energiepuffer weist zusätzlich eine batterieexterne zentrale Steuereinheit auf, durch welche in Abhängigkeit von elektrischen Leistungsdaten der Anlage ein Energieaustausch zwischen den Traktionsbatterien einerseits und einer elektrischen Anschlusseinrichtung andererseits gesteuert wird, an welcher Anlagenkomponenten angeschlossen werden können, beispielsweise elektrische Geräte oder ein Solarpanel.
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Ein Energiepuffer der genannten Art ist als Batteriespeicherwerk aus der
DE 10 2011 105 417 A1 bekannt. Bei dem bekannten Batteriespeicherwerk können auch Traktionsbatterien als Energiespeicher eingesetzt werden, wobei diese dazu in das Energiespeicherwerk zu Gruppen aus Industriebatterien zusammengefasst werden und daher beim Einbau entsprechend neu zu verschalten sind.
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Hochvolt-Traktionsbatterien, also Traktionsbatterien zum Antreiben elektrischer Fahrzeuge, müssen in der Regel aufwendig entsorgt werden, wenn sie nicht mehr für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug taugen. Zum aktuellen Zeitpunkt haben sich die Hersteller von Traktionsbatterien verpflichtet, einen möglichst hohen Anteil der Hochvolt-Traktionsbatterien zu recyceln. Aus diesem Grund gelangen Traktionsbatterien nach einem Ausbau aus einem Kraftfahrzeug zwangsläufig zum Hersteller. Hier besteht Interesse, die zwar nicht mehr für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, aber dennoch für die Energiepufferung bei weniger extremen Einsatzbedingungen noch einsetzbaren Traktionsbatterien weiterhin wirtschaftlich zu nutzen.
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Beim Bau neuer Traktionsbatterien müssen diese umfangreich getestet werden. Diese Tests finden auch in der frühen Entwicklungs- und Auslegungsphase statt. Die einzelnen Testszenarien für die Bewertung und Qualifizierung der Batterien werden durch sogenannte Batterietester erzeugt. Nicht selten sind mehrere Batterietester in Testzentren im Einsatz. Batterietester sind insbesondere am Ende der Produktionskette einer Traktionsbatterie, beim sogenannten End-Of-Line-Test zu finden. Ein beispielhafter Aufbau einer solchen Traktionsbatterie-Testanlage ist in 1 gezeigt. Dargestellt sind Batterietester 10 (BT), an welche jeweils eine zu testende, neue Hochvolt- oder Traktionsbatterie 12 (TBN) angeschlossen ist. Mit einer Hochvoltspannung ist hier eine elektrische Spannung von 60V und mehr, insbesondere mehr als 100V, gemeint. Zum Aufladen der neuen Traktionsbatterien 12 ist jeder Batterietester 10 an ein Stromversorgungsnetz 14 angeschlossen. Beispielsweise kann von dem Stromversorgungsnetz 14 aus über einen Transformator 16 die Testanlage für die neuen Traktionsbatterien 12 versorgt werden. Mittels eines Stromzählers 18 kann der Stromverbrauch der Batterietestanlage erfasst werden. Bei einem Testzyklus einer neuen Traktionsbatterie 12 bewirkt der Batterietester 10 nach einem probeweise Aufladen der neuen Traktionsbatterie 12 einen Entladevorgang, bei welchem die in der neuen Traktionsbatterie 12 gespeicherte elektrische Energie wieder abgibt. Der Batterietester kann hierbei rückspeisefähig ausgelegt sein, so dass die Energie wieder in das Stromversorgungsnetz 14 eingespeist werden kann. Dies ist aber nicht für alle Stromversorgungsnetze erlaubt, z.B. derzeit in China. In einem solchen Fall kann die Energie beispielsweise über einen ohmschen Widerstand 20 verbraucht werden. Der Ohmsche Widerstand 20 wirkt dann als Heizelement. In 2 ist beispielhaft für einen Testzyklus einer neuen Traktionsbatterie 12 ein Verlauf für die Hochvoltspannung U und den Ladestrom bzw. Entladestrom I über der Zeit t dargestellt. Es wird bei einzelnen Testszenarien der neuen Traktionsbatterie 12 Energie zugeführt (Laden - E+) oder Energie entnommen (Entladen - E-).
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Aus der
DE 10 2010 027 854 A1 ist bekannt, dass zusätzliche Akkumulatoren zur Bereitstellung des Ladestroms für einen aufzuladenden neuen Akkumulator verwendet werden können. Diese zusätzlichen Akkumulatoren werden, durch eine Steuereinrichtung gesteuert, geladen und entladen und wirken somit im Wechsel als Energiequelle und Energiesenke. Hierdurch ist es dann nicht mehr nötig, Heizelemente zum Abbauen der Energie zu verwenden.
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Eine ähnliche Anordnung zum Aufladen und Entladen einer Batterie ist aus der
US 6 181 100 B1 bekannt. Diese Anordnung weist eine Hilfsbatterie auf, in welcher Energie zwischengespeichert werden kann.
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Aus der
DE 10 2011 112 635 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Traktionsbatterien bekannt, die dabei testweise geladen und entladen werden müssen. Um möglichst energie- und kosteneffizient zu arbeiten, erfolgen das Entladen einer ersten Batterie und das Laden einer zweiten Batterie koordiniert derart, dass die der ersten Batterie entnommene elektrische Energie zumindest teilweise der zweiten Batterie zugeführt wird. Es werden also nacheinander neue Traktionsbatterien mit der Energie der jeweiligen Vorgängerbatterie aufgeladen.
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In der
WO 2013/ 039 753 A1 ist ein elektrisches Netzwerk beschrieben, das in einem Haus installiert sein kann und mittels welchem eine Traktionsbatterie eines an das Netzwerk angeschlossenen Kraftfahrzeugs aufgeladen werden kann. Das Netzwerk kann unterschiedliche Energiequellen aufweisen, beispielsweise einen Windgenerator, ein Solarpanel und einen lokalen Energiespeicher, der beispielsweise ein Array aus mehreren Batteriezellen umfassen kann. Um den Aufladevorgang der Traktionsbatterie zu steuern, wird ein Batteriemanagementsystem des Kraftfahrzeugs mit einem Energie-Managementsystem des Netzwerks gekoppelt.
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In der
DE 10 2008 037 575 A1 ist ein elektrisches Netzwerk für ein Wohngebäude beschrieben. Das Netzwerk ist auch an eine Ladestation für ein elektrisches Fahrzeug gekoppelt. Bei an die Ladestation angeschlossenem elektrischem Fahrzeug wird ein Energiebedarf des Haushalts mit der in der Traktionsbatterie gespeicherten elektrischen Energie derart koordiniert, dass die Traktionsbatterie als Energiepuffer für den Haushalt genutzt wird und hierzu bedarfsweise be- und entladen wird. Für die Planung des Energieaustauschs kann ein Nutzer-Profil und eine Energie-Nutzungshistorie zugrunde gelegt werden.
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In der
WO 2012/ 154 936 A2 ist gezeigt, wie mehrere elektrische Kraftfahrzeuge mit ihren Traktionsbatterien an ein stationäres Netzwerk gekoppelt werden können, um zusammen mit einem lokalen Energiespeicher einen Energiepuffer in dem stationären Netzwerk zu bilden, in welchem elektrische Energie aus einem Versorgungsnetz und von Solarpanelen zwischengespeichert werden kann. Die Energie kann dabei aus jedem der Kraftfahrzeuge zu- oder abgeführt werden.
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In der
WO 2012/ 072 679 A1 ist ein Verfahren zum Aufladen eines Batterie-Arrays mittels eines öffentlichen Versorgungsnetzes beschrieben. Für die Koordination der Aufladevorgänge der einzelnen Batterien werden individuelle Aufladepläne dynamisch optimiert.
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Aus der
US 4 007 315 A ist ein Batteriekühlsystem für eine Multi-Zellen-Batterie bekannt. Mit der Abwärme aus der Batterie kann ein Fahrzeuginnenraum geheizt werden.
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In der
JP 2013-149 524 A ist eine Temperiervorrichtung für eine Batterie beschrieben, bei welcher zwei Kühlkreisläufe bereitgestellt sind, die über ein Peltier-Element gekoppelt sind, um eine Energietransportrichtung von Wärmeenergie zwischen den beiden Kühlkreisläufen vorgeben zu können.
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Aus der
US 2013 / 0 026 979 A1 ist bekannt, in einem stationäre Energiespeicher Traktionsbatterien über deren Batteriemanagement zu steuern.
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Aus der
US 2013 / 0 138 857 A1 ist ebenfalls bekannt, ein Batteriemanagementsystem für mehrere ausrangierte Traktionsbatterien bereitzustellen, das die Traktionsbatterien über deren eigene Steuerschnittstelle ansteuert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gebrauchte, für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug nicht mehr taugliche Traktionsbatterien mit geringem technischen Aufwand einer weiteren Nutzung zuzuführen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist, mittels zum Hersteller zurückgelieferter, gebrauchter Traktionsbatterien aus Kraftfahrzeugen, sogenannter Second-Life-Hochvolt-Batteriesysteme, eine Anlage für eine Produktion, Fertigung und/oder Beleuchtung zu betreiben und hierbei eine neutrale Energiebilanz innerhalb der Anlage zu erreichen. Dabei ist durch die Erfindung sichergestellt, dass die Traktionsbatterien mit geringem technischen Aufwand in die Anlage integriert werden können.
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Hierzu ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, durch eine batterieexterne zentrale Steuereinheit, beispielsweise einen Mikrocontroller oder eine andere Recheneinrichtung, in Abhängigkeit von elektrischen Leistungsdaten der Anlage den Energieaustausch zwischen den Traktionsbatterien einerseits und einer elektrischen Anschlusseinrichtung für zumindest eine Anlagenkomponente andererseits zu steuern. Mit anderen Worten wird also der Energieaustausch zwischen den Traktionsbatterien und dem übrigen Teil der Anlage durch die Steuereinrichtung überwacht oder kontrolliert. Um hierbei nur geringe technische Maßnahmen zum Integrieren der Traktionsbatterien vornehmen zu müssen, wird durch die Steuereinheit zur batterieseitigen Steuerung des Energieaustauschs bei jeder Traktionsbatterie dafür gesorgt, dass diese wie auch in einem Kraftfahrzeug betrieben werden kann. Eine Traktionsbatterie weist nämlich ein integriertes Batteriemanagementsystem auf, welches bereits eigene Algorithmen und Funktionen zum energieeffizienten und schonenden Betrieb der Traktionsbatterie aufweist. Diese Batteriemanagementsysteme sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Ist eine Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug eingebaut, so kann über eine Steuerschnittstelle der Traktionsbatterie das Batteriemanagementsystem durch Steuerbefehle von außerhalb gesteuert werden und/oder es können batterieintern ermittelte Statusdaten über die Steuerschnittstelle ausgelesen werden. Um nun nach dem Ausbau der Traktionsbatterien diese in der Anlage zu betreiben, ist erfindungsgemäß die batterieexterne zentrale Steuereinheit dazu ausgelegt, an der Steuerschnittstelle einer jeweiligen Traktionsbatterie durch Erzeugen entsprechender Schnittstellensignale einen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs zu emulieren. Mit anderen Worten werden die Traktionsbatterien weiterhin so betrieben, als seien sie in Kraftfahrzeugen eingebaut.
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Erfindungsgemäß werden die Traktionsbatterien oder ein Cluster aus mehreren zusammen geschalteten Traktionsbatterien in modularen Batterieeinschüben von mehreren Energiepuffern aufgenommen. Innerhalb eines Zusammenschlusses der Energiepuffer findet ein Austausch von Energie statt, indem elektrische Energie zwischen den Energiepuffern verschoben wird, um so ein Energiebalancing zu erreichen, wodurch eine Verlängerung der Lebensdauer der Traktionsbatterien in den einzelnen Energiepuffern erreicht wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass sich die Traktionsbatterie mit ihrer bereits vorhandenen Steuerschnittstelle einfach an die zentrale Steuereinheit anschließen lässt und ohne aufwändige Umbaumaßnahmen in der stationären Anlage zum Puffern von Energie bereitsteht.
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Zu der Erfindung gehört auch eine elektrische Energiepuffervorrichtung für die stationäre Anlage. Diese weist Batterieanschlüsse auf, an denen sich jeweilige ihr eigenes Batteriemanagementsystem aufweisende Traktionsbatterien aus Kraftfahrzeugen anschließen lassen. Ein Batterieanschluss ist dabei derart ausgelegt, dass sich auch die elektrische Steuerschnittstelle der jeweiligen Traktionsbatterie ansprechen oder betreiben oder nutzen lässt. Bei der erfindungsgemäßen Energiepuffervorrichtung weisen mehrere Energiepuffer jeweils modulare Batterieeinschübe auf, von denen jeder dazu ausgebildet ist, eine der Traktionsbatterien oder ein Cluster aus mehreren zusammengeschalteten Traktionsbatterien aufzunehmen. Die erfindungsgemäße Energiepuffervorrichtung weist außerdem die batterieexterne zentrale Steuereinheit auf, also beispielsweise den besagten Mikrocontroller, und ist dazu ausgelegt, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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Besonders bevorzugt ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Batteriepuffers in einer Batterieprüfanlage, wie sie bereits eingangs beschrieben wurde. Mittels der erfindungsgemäßen Batterieprüfanlage oder Batterietestanlage lassen sich also neue Kraftfahrzeug-Traktionsbatterien mittels zumindest eines Batterietestgeräts aufladen und entladen, um die Qualität der neuen Kraftfahrzeug-Traktionsbatterien zu überprüfen. Bei der erfindungsgemäßen Batterieprüfanlage ist eine erfindungsgemäße Energiepuffervorrichtung bereitgestellt.
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Das zumindest eine Batterietestgerät der Anlage ist jeweils mit einem Komponentenanschluss des Energiepuffers verbunden, über welchen das Batterietestgerät mit einem Ladestrom versorgt werden kann, der wiederum aus gebrauchten Traktionsbatterien entnommen wird, die über die Batterieanschlüsse der Energiepuffervorrichtung angeschlossen sein können. Genauso kann nun beim Entladen der neuen Kraftfahrzeug-Traktionsbatterien der Entladestrom wieder in die alten Traktionsbatterien geleitet und hierdurch elektrische Energie gespeichert werden.
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Bei der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass durch die Steuereinheit die Anlage zumindest zeitweise in einem Inselbetrieb betrieben wird. Inselbetrieb bedeutet, dass die von Anlagenkomponenten (mit Ausnahme der Traktionsbatterien) benötigte Energie oder von diesen erzeugte elektrische Energie nicht aus einem öffentlichen Stromversorgungsnetz entnommen oder in dieses zurückgespeist werden muss, sondern dass die Energie innerhalb der Anlage zwischen den Anlagenkomponenten und den gebrauchten Traktionsbatterien hin und her übertragen wird. Hierzu wird auf Grundlage der Leistungsdaten der Anlage, also beispielsweise Einschaltzeitpunkten bestimmter Anlagenkomponenten, wie beispielsweise eines Batterietestgeräts, für einen aktuellen und/oder zumindest einen zukünftigen Zeitpunkt ermittelt, wie viel elektrische Energie an zumindest einem Anschluss der Anschlusseinrichtung jeweils benötigt wird. Diese elektrische Energie wird als Energiewert ausgedrückt, der an dem Komponentenanschluss den elektrischen Energiebedarf oder den elektrischen Energieüberschuss angibt. Energiebedarf meint hierbei, dass die Anlagenkomponente, die an dem Komponentenanschluss angeschlossen ist, elektrische Energie verbraucht; Energieüberschuss meint, dass die Anlagenkomponente elektrische Energie abgibt.
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In Abhängigkeit von jedem Energiewert für die überwachten Komponentenanschlüsse werden Bilanzdaten für eine Energiebilanz der Anlage ermittelt. Damit sind der Energiebedarf bzw. der Energieüberschuss in der gesamten Anlage bis auf die Traktionsbatterien bekannt. Nun wird durch den Energieaustausch mit der zumindest einen Traktionsbatterie die Energiebilanz ausgeglichen. Somit ergibt sich insgesamt also eine Energiebilanz von Null und damit der beschriebene Inselbetrieb.
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Als besonders geeignete Leistungsdaten für das Steuern der Anlage haben sich die folgenden drei Möglichkeiten erwiesen.
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Es können Strommessdaten von einer Strommessung an einem Netzanschluss der Anlage erfasst werden, über welchen die Anlage mit einem öffentlichen Stromversorgungsnetz verbunden ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Nettoverbrauch an elektrischer Energie bezüglich des Stromversorgungsnetzes direkt gemessen wird.
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Es können auch Schaltzeitdaten erfasst werden, welche zumindest einen zukünftigen Einschaltzeitpunkt und/oder zumindest einen zukünftigen Ausschaltzeitpunkt zumindest einer Anlagenkomponente enthalten, deren Lastprofil bekannt ist. Ist also beispielsweise bekannt, dass ein Batterietestgerät in einer halben Stunde eine neue Traktionsbatterie aufladen soll, so kann beispielsweise durch Aufladen einer der gebrauchten Traktionsbatterien der Energiepuffervorrichtung mittels einer Windkraftanlage die in einer halben Stunde von dem Batterietestgerät benötigte elektrische Energie in der gebrauchten Traktionsbatterie zwischengespeichert werden.
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Eine weitere Möglichkeit besteht im Erfassen von Ereignisdaten, welche zumindest ein Einschaltereignis und/oder zumindest ein Ausschaltereignis zumindest einer Anlagenkomponente enthalten. Hierdurch können in vorteilhafter Weise Spannungseinbrüche vermieden werden, die sich ergeben können, wenn ein Einschaltereignis unbekannt ist und zunächst eine Anlagenkomponente ihren Energieverbrauch verändert, ohne dass vorbereitende Kompensationsmaßnahmen, wie beispielsweise das Zuschalten einer geladenen Traktionsbatterie, rechtzeitig erfolgen.
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Das Stromversorgungsnetz kann auch dazu genutzt werden, in der Anlage überschüssige elektrische Energie loszuwerden, indem sie in das Stromversorgungsnetz abgegeben wird. Genauso kann aber auch sichergestellt werden, dass für den Fall, dass der Inselbetrieb nicht mehr möglich ist, in der Anlage fehlende elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz entnommen wird. Hierdurch ist ein stabiler Betrieb der Anlage gewährleistet.
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Um an einer einzelnen der gebrauchten Traktionsbatterien kontrolliert elektrische Energie entnehmen oder zuführen zu können, wird bevorzugt durch die Steuereinheit ein DC-DC-Wandler gesteuert, über welchen die Traktionsbatterien beispielsweise mit einem gemeinsamen Gleichspannungs-Zwischenkreis zum Verteilen von elektrischer Energie gekoppelt sind. Mittels des Steuerns des DC-DC-Wandlers ergibt sich der Vorteil, dass jede einzelne Traktionsbatterie eine andere Batteriespannung aufweisen kann und jede Traktionsbatterie einzeln gezielt geladen und entladen werden kann.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich auch die Energiepufferung flexibel skalieren. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht hierzu vor, dass zwei Energiepuffervorrichtungen untereinander elektrische Energie austauschen, damit so in Kombination selbst dann in einem Inselbetrieb gefahren werden können, wenn die einzelnen Energiepuffervorrichtungen dazu nicht in der Lage sind, weil ihre Energiebilanzen dies nicht ermöglichen. Die Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Steuereinheit mit einer anderen zentralen Steuereinheit Energiebilanzdaten austauscht.
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Diese andere zentrale Steuereinheit ist in der beschriebenen Weise mit anderen Traktionsbatterien einer anderen Energiepuffervorrichtung gekoppelt. Sind nun die Energiebilanzdaten ausgetauscht, so steht fest, welche der Energiepuffervorrichtungen einen Energieüberschuss und welche einen Energiemangel hat. Entsprechend wird in Abhängigkeit von den Energiebilanzdaten elektrische Energie zwischen den Traktionsbatterien der ersten Energiepuffervorrichtung und den Traktionsbatterien der anderen Energiepuffervorrichtung ausgetauscht.
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In Bezug auf die schaltungstechnische Realisierung eines Energiepuffers mit zentraler Steuereinheit und gebrauchten Traktionsbatterien aus Kraftfahrzeugen ergibt sich entsprechend eine Weiterbildung, wenn jeder Batterieanschluss, über welchen eine Traktionsbatterie angeschlossen werden kann, jeweils über einen DC-DC-Wandler an einem gemeinsamen Gleichspannungs-Zwischenkreis angeschlossen ist. Auch die elektrische Anschlusseinrichtung zum Anschließen der übrigen Anlagenkomponenten ist an den Zwischenkreis angeschlossen, indem zumindest ein Komponentenanschluss für zumindest eine Anlagenkomponente mit dem Zwischenkreis elektrisch verschaltet ist. Hierdurch kann über den Gleichspannungs-Zwischenkreis elektrische Energie zwischen den Anlagenkomponenten einerseits und den gebrauchten Traktionsbatterien andererseits ausgetauscht werden und über die DC-DC-Wandler die Verteilung der elektrischen Energie auf die Traktionsbatterien kontrolliert werden.
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Ein noch flexiblerer Einsatzbereich der Energiepuffervorrichtung ergibt sich, wenn eine Kühleinrichtung zum Betreiben eines Traktionsbatterie-Kühlkreislaufs bereitgestellt ist. Dann können auch solche Traktionsbatterien verwendet werden, die eine aktive Kühlung benötigen.
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Ein weiterer energetischer Vorteil ergibt sich, wenn eine Wärmekopplungseinheit bereitgestellt ist, welche dazu ausgelegt ist, mittels einer Abwärme der Traktionsbatterien ein Fluid zu heizen und/oder elektrische Energie zu erzeugen. Dann kann auch die Abwärme von Traktionsbatterien entweder zum Klimatisieren einer anderen Anlagenkomponente verwendet werden oder die Abwärme über eine Kraft-Wärmekopplung ebenfalls in einen andere Energieform gewandelt werden.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterieprüfanlage aus dem Stand der Technik;
- 2 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen elektrischer Größen aus einem Testszenario aus einem Batterietest;
- 3 einen schematisierten Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriepuffervorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung von einer Bauweise einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiepuffervorrichtung; und
- 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiepuffervorrichtung mit Kühleinrichtung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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3 zeigt eine Anlage 22, bei der es sich um eine Produktionsanlage und/oder eine Fertigungsanlage und/oder eine Beleuchtungsanlage handeln kann. Die Anlage weist einen Energiepuffer 24 auf, mit welchem es möglich ist, die Anlage 22 zumindest zeitweise in einem Inselbetrieb zu betreiben, in welchem die Anlage 22 keine elektrische Energie von einem Stromversorgungsnetz 26 benötigt, beispielsweise einem 400 V-50 Hz-Versorgungsnetz (Drehstrom). Der Energiepuffer 24 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiepuffervorrichtung. Eine nominelle Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe kann z.B. in einem Bereich von 100 kW bis 200 kW liegen.
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Die Anlage 22 kann als weitere Anlagenkomponenten 28 beispielsweise Geräte 30 der Anlage, einen Windkraftgenerator 32 und/oder eine Solaranlage 34 aufweisen. Bei den Geräten 30 kann es sich beispielsweise um Batterietestgeräte handeln. Die Anlagenkomponenten 28 können über Komponentenanschlüsse 36 an den Energiepuffer 24 angeschlossen sein. Der Windkraftgenerator 32 kann alternativ an einer Wechselspannungsleitung 38 angeschlossen sein, über welche der Energiepuffer 24 mit dem Stromversorgungsnetz 26 verbunden sein kann. Hierbei kann eine Ankopplung an das Stromversorgungsnetz 26 über einen Transformator 40 und/oder einen Stromzähler 42 vorgesehen sein. Im Energiepuffer 24 sind zum Speichern von elektrischer Energie Traktionsbatterien 44 bereitgestellt, die aus Kraftfahrzeugen ausgebaut worden sind und recycelt werden sollen. Der Energiepuffer 24 kann eine, zwei, drei oder auch mehr als drei Traktionsbatterien 44 aufweisen. Jede Traktionsbatterie 44 kann über einen Batterieanschluss 46 und einen DC-DC-Wandler 48 an einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 50 angeschlossen sein, der beispielsweise durch Stromschienen realisiert sein kann. Über einen AC-DC-Wandler 52 kann der Zwischenkreis 50 auch mit der Wechselspannungsleitung 38 gekoppelt sein. Über weitere Wandler 54 können auch die Komponentenanschlüsse 36 mit dem Zwischenkreis 50 verschaltet sein. Die Wandler 54 können dabei bedarfsweise DC-DC-Wandler oder AC-DC-Wandler sein. In dem Zwischenkreis 50 kann auch ein Zwischenkreiskondensator 56 zum Glätten und/oder Stabilisieren eines Spannungsverlaufs einer Gleichspannung im Zwischenkreis 50 bereitgestellt sein.
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Der Zufluss und Abfluss von elektrischer Energie in und aus den Zwischenkreis 50, insbesondere das Austauschen der Energie mit den Traktionsbatterien 44, wird durch eine zentrale Steuereinheit 58 kontrolliert. Die Steuereinheit 58 kann beispielsweise eine Recheneinrichtung, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, umfassen. Die Steuereinrichtung 58 kann über Signalleitungen 60 Leistungsdaten L empfangen, beispielsweise Strommessdaten von dem Stromzähler 42. Die Leistungsdaten L können auch Schaltzeitdaten und/oder Ereignisdaten von den Anlagenkomponenten 28 umfassen. Beispielsweise kann über die Überwachungsleitungen 60 erfasst werden, wann eines der Geräte 30 an- oder ausgeschaltet wird. Über Steuerleitungen 62 kann die Steuereinheit 58 die DC-DC-Wandler 48 zum Steuern eines Energieflusses zwischen den Traktionsbatterien 44 und dem Zwischenkreis 50 in an sich bekannter Weise steuern.
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Die Traktionsbatterien 44 mussten für den Betrieb im Energiepuffer 24 nicht umgerüstet werden. Die Batterieanschlüsse 46 weisen auch eine Steuerschnittstelle auf, über welche das in den Traktionsbatterien 44 integrierte Batteriemanagementsystem mit Schnittstellensignalen S angesteuert wird, so dass sich aus jeder Traktionsbatterie 44 an der Steuerschnittstelle Signalverläufe ergeben, wie sie auch bei einem Betrieb der jeweiligen Traktionsbatterie 44 in einem Kraftfahrzeug vorkommen können. Jede Traktionsbatterie 44 wird also weiterhin in der selben Weise betrieben, wie auch in einem Kraftfahrzeug.
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Die Traktionsbatterien 44 wurden nach einer Eingangsprüfung als in Ordnung bewertet und in dem Energiepuffer 24 als Energiespeicher eingebaut. Es können auch mehrere Traktionsbatterien unmittelbar hintereinander zu einem Cluster verschaltet werden, das dann an einen einzigen Batterieanschluss 46 angeschlossen ist.
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Die Traktionsbatterien bilden Versorgungseinheiten für den Energiepuffer 24. Der Energiespeicher 24 in Kombination mit den gebrauchten Traktionsbatterien 44 wird durch die Steuereinheit 58 derart betrieben, dass sich in der Anlage 22 ein ausgeglichener Energiehaushalt ergibt. Innerhalb der Anlage 22 können hierbei auch sekundäre Energieträger, wie in 3 die Solaranlage 34 und der Windgenerator 32, an den Energiepuffer 24 angeschlossen und damit in das Energiemanagement integriert sein. Reicht die in dem Energiepuffer 24 gespeicherte Energie nicht aus, so besteht die Möglichkeit, die Versorgung der Geräte 30 durch Energie aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz 26, also durch primäre Energie, zu unterstützen. Hierzu kann die Steuereinheit 28 beispielsweise den AC-DC-Wandler 52 entsprechend in an sich bekannter Weise ansteuern.
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Die zentrale Steuereinheit 58 ist für die gesamte Energiebilanzierung zuständig. Hierzu kann sie aus dem Energiemanagement bekannte Algorithmen für die Energiebereitstellung, Energieaufnahme, das Steuern der Energie aus den sekundären Energiequellen sowie die Energieverteilung und den Energieausgleich innerhalb des Energiepuffers 24 und selbst innerhalb eines Clusters aufweisen. Zuviel erzeugte Energie kann über den AC-DC-Wandler 52 in das öffentliche Versorgungsnetz, das heißt das Stromversorgungsnetz 26, zurückgeführt werden.
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Insgesamt wird in der Anlage 22 also keine Energie vorsätzlich vernichtet, wie es dagegen bei der in 1 gezeigten Anlage aus dem Stand der Technik durch die ohmschen Widerstände 20 geschieht, falls keine Rückspeisung erlaubt ist. Es treten ausschließlich Verluste bei der Energieumwandlung und beim Energietransport auf.
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In 4 ist die Anlage von 3 noch einmal gezeigt, wobei in 4 der mechanische Aufbau des Energiepuffers 24 veranschaulicht ist. In 4 sind der Übersichtlichkeit halber nur einige Traktionsbatterien mit einem Bezugszeichen versehen. In 4 ist der Anschaulichkeit halber gezeigt, wie durch Anschließen dreier Batterietestgeräte 10 an entsprechende Komponentenanschlüsse 36 (der dritte Komponentenanschluss ist in 3 nicht dargestellt) eine Batterietestanlage für neue Traktionsbatterien 12 mittels des Energiepuffers 24 realisiert werden kann. In 4 ist der Energiepuffer 24 auf der rechten Seite noch einmal vergrößert mit strukturellen Merkmalen dargestellt. Der Energiepuffer 24 kann ein Gehäuse 64 aufweisen. Beispielsweise kann das Gehäuse 64 ein Container sein. In dem Gehäuse können die Traktionsbatterien 44 so in einem in sich abgeschlossenen Raum untergebracht sein. Dieser abgeschlossene Raum kann mit Sicherheitstechnik und Überwachungsfunktionen ausgestattet sein, um beispielsweise einen Batteriebrand einer der Traktionsbatterien 44 schnell genug zu erkennen und zu löschen.
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Der Energiepuffer 24 kann modulare Batterieeinschübe 66 aufweisen, von denen jeder eine Traktionsbatterie 44 oder ein Cluster 68 aus mehreren zusammen geschalteten Traktionsbatterien aufnehmen kann. In 4 sind von den Batterieeinschüben 66 der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Jeder Batterieeinschub 66 besitzt einen standardisierten Anschluss zur kompletten oder teilweisen Kontaktierung der darin aufgenommenen Traktionsbatterie 44. In dem Container 64 können also auch die Batterieanschlüsse 46 für jede Traktionsbatterie 44 vorgesehen sein.
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Aufgrund der Topographie der Anlage können auch mehrere Energiepuffer 24 zusammengeschaltet werden. Ein oder mehrere dieser Energiepuffer stellen also die elektrischen Anschlüsse für die Anlagenkomponenten bereit, insbesondere die Geräte 30, wie beispielsweise die Batterietestgeräte 10. Innerhalb eines Zusammenschlusses oder Clusters aus Energiepuffern kann auch ein Austausch von Energie stattfinden, um so ein Energiebalancing zu erreichen. Dadurch kann unter anderem eine Verlängerung der Lebensdauer der Traktionsbatterien 44 in den einzelnen Energiepuffern erreicht werden. Beispielsweise kann auch elektrische Energie zwischen den Energiepuffern verschoben werden.
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Durch den Einsatz von serienmäßig ausgestalteten Traktionsbatterien 44 kann auf die Algorithmen und Funktionen der Traktionsbatterien direkt zurückgegriffen werden. Es kann vorgesehen sein, einen zusätzlichen Datenstand für den Betrieb der Batterie innerhalb des Energiepuffers, also in einem Speicher der Steuereinheit 58, bereitzustellen, um die stationären Anforderungen in der Anlage 22 auf die dynamischen Anforderungen in einem Kraftfahrzeug abzubilden.
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Für die zentrale Energieverwaltung innerhalb des Energiepuffers können in der Steuereinheit 58 zusätzliche Algorithmen hinterlegt sein. Die Steuereinheit 58 arbeitet dabei autark oder es kann eine Kommunikationsschnittstelle nach außen, beispielsweise zu einem Leitstand hin vorgesehen sein. Die Algorithmen der Steuereinheit 58 beinhalten das gesamte Energiemanagement der Anlage, den Selbstschutz und die Verwaltung der Energiequellen. Algorithmen zur Regulierung der Spannung und Umverteilung von Energieniveaus zwischen mehreren Energiepuffern oder einzelnen Traktionsbatterien können ebenfalls bereitgestellt sein. Die genannten Algorithmen sind an sich aus dem Stand der Technik im Zusammenhang mit dem Energiemanagement von Anlagen bekannt.
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Durch den AC-DC-Wandler 58 kann eine Rückspeiseeinheit realisiert sein, welche im Falle eines Überangebots von Energie diese in das öffentliche Stromnetz 26 zurückspeist. Sie dient also als Schutzfunktion für den Energiepuffer 24, da mit der Rückspeiseeinheit ein Überladen der Traktionsbatterien 44 verhindert wird.
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In 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher in einem Energiepuffer 24' auch Traktionsbatterien 44' mit Kühlsystemen betrieben werden können. Die Wärme aus den Kühlsystemen der Traktionsbatterien 44' kann sinnvoller über einen Energiewandler 70 in eine andere Form der Energie E übertragen werden, beispielsweise auf Grundlage des Prinzips der Kraft-Wärme-Kopplung. Es ist auch denkbar, die Abwärme zum Temperieren zu nutzen. Die Abwärme aus einer Traktionsbatterie 44' mit Kühlsystem kann über ein Fluid F zu dem Energiewandler 70 übertragen werden. In 5 ist der Anschaulichkeit halber eine Traktionsbatterie 44' mit Kühlsystem auf der rechten Seite in einer vergrößerten Darstellung gezeigt.
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Somit können in dem Energiepuffer 24' sowohl Batterien mit als auch Batterien ohne Kühlung integriert sein. Der Energiepuffer 24' ist nicht an einen Batterietyp gebunden. Selbst die Kapazität und der Spannungslevel der einzelnen Batteriesysteme können beliebig sein, da ein Ausgleich mittels der DC-DC-Wandler 48 möglich ist. Die Ausführung des Kühlsystems innerhalb des Energiepuffers 24' ist bevorzugt variabel ausgeführt, da sowohl mit gekühlten als auch mit ungekühlten Batteriesystemen gearbeitet werden kann. Der Anschluss für das Kühlmedium, das heißt das Fluid F, kann in dem Batterieanschluss 46' integriert sein, so dass die Information aus der Batterie, die Versorgungsleitungen, also hochvoltseitig, niedervoltseitig und Kommunikationsleitung, und gegebenenfalls auch die Kühlung direkt über den Batterieanschluss 46' angekoppelt werden können.
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Somit bildet der Zwischenkreis 50 mit den Komponentenanschlüssen 36 und den Batterieanschlüssen 46, 46' einen zentralen Anschlussknoten für einzelne Traktionsbatterien, das heißt er ist mehrkanalig. Dabei können selbst Batteriesysteme mit unterschiedlichem Spannungslevel, beispielsweise zwischen 8 V und 800 V, angeschlossen werden. Der so gebildete Multikanal-Energiepuffer 24, 24' verfügt insbesondere über einen gemeinsamen Zwischenkreis, welcher als großer Energiespeicher dient und die unterschiedlichen Spannungslevel der jeweiligen Batteriesysteme durch entsprechende Spannungswandler zusammenführt. Nach außen hin wird durch eine entsprechende DC-AC-Umsetzung bzw. Wechselrichtung der gesamte Aufbau zum Stromversorgungsnetz 26 hin repräsentiert. Damit lässt sich ein Pseudo-Inselnetz abbilden, mit der Option, bei Bedarf Energie aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz 26 zu beziehen. Falls innerhalb der Anlage 22 Energie benötigt oder bereitgestellt werden soll, kann diese aus dem Energiepuffer 24, 24' mit den angeschlossenen Traktionsbatterien 44, 44' bezogen werden. Sinnvollerweise sind der Multikanal-Energiepuffer 24, 24' und die Geräte 30, also beispielsweise die Batterietester 10, für den eigentlichen Prüflauf unterschiedliche Systeme, welcher aber in einem gemeinsamen Netz und an dem öffentlichen Stromversorgungsnetz 26 angeschlossen sind.
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An die Energiepuffer 24, 24' können zudem auch alternative Energiesysteme, wie Windkraft und Solar, angeschlossen sein, um die Anlage zusätzlich auch indirekt über die Traktionsbatterien 44, 44' zu versorgen. So lassen sich auch im Inselbetrieb Verluste, welche bei Prüfläufen beim Batterietest entstehen, kompensieren. Gleichzeitig können sämtliche Batteriesysteme 44, 44', welche als Energiespeicher dienen, entsprechend geladen werden. Die in der Anlage 22 erzeugte Wärme, beispielsweise aus den Traktionsbatterien 44, 44' oder den neuen Testbatterien 12, kann über eine Kraft-Wärme-Umsetzung effektiv in nutzbare Energie umgewandelt werden. Wird darauf verzichtet, kann die entstandene Abwärme auch anderen Systemen zur Temperierung zur Verfügung gestellt werden. Die Energiepuffer 24, 24' veranschaulichen folgendes erfindungsgemäßes Prinzip.
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Neben den Batteriemanagementsystemen jeder Traktionsbatterie 44, 44' existiert eine zentrale Energiesteuerung 58. Diese koordiniert den gesamten Energiefluss von extern/außen zu bzw. zwischen den einzelnen Traktionsbatterien 44, 44', die als Energiespeicher dienen. Die verwendeten, gebrauchten Traktionsbatterien 44, 44' werden über ihr Batteriemanagementsystem betrieben, das von der zentralen Energiesteuerung, das heißt der Steuereinheit 58, gesteuert werden. Neu ist, dass das Batteriemanagement zum einen autark arbeitet und dabei die Batteriezellen balanciert, es aber auch von außen gesteuert werden kann. Dadurch sind individuelle Anpassungen an den jeweiligen Anwendungsfall als auch an den Zustand und die Art der verwendeten Traktionsbatterien 44, 44' möglich.
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Es können unterschiedliche Batterietypen von Traktionsbatterien 44, 44' gleichzeitig in einem Energiepuffer 24, 24' betrieben werden. Zusätzlich können alternative Energiequellen, wie beispielsweise Solar- und Windkraftanlagen als Energielieferanten direkt angeschlossen werden. Unterschiedliche Spannungslevel können ausgeglichen werden. So ist es zum Beispiel auch möglich, dass ein Energiepuffer 14, 24' eine 12 Volt-Bleibatterie, eine Brennstoffzelle, eine Hochvoltbatterie 44, 44' und eine Solaranlage 34 gleichzeitig betreibt. Selbst die Kombination zwischen Batteriesystemen und Windkraftanlage 32 auf verschiedenen Kanälen, also an unterschiedlichen der Anschlüsse, würde sich primärseitig, also vom Stromversorgungsnetz 26 aus, als ein einziger Energiepuffer abbilden lassen. Das heißt, dass beispielsweise die Aufteilung von 35 % aus dem Energiespeicher, das heißt aus den Traktionsbatterien 44, 44', und 65 % bis 85 % dynamisch aus Windkraft der Windkraftanlage 32 insgesamt 100 bis 120 % der nominellen Leistung der Traktionsbatterien 44, 44' auf der Primärseite ergeben kann. Es können unterschiedliche Batterietypen für die Traktionsbatterien 44, 44' verwendet werden, beispielsweise Lithium-Ionen und Blei. Auch unterschiedliche Batteriekapazitäten und unterschiedliche Spannungsniveaus sind betreibbar. Da die Anlage beliebig skalierbar ist, bedeutet dies, dass mehrere Energiepuffer 24, 24' zu einem einzelnen Energieversorgungssystem zusammengeschaltet und untereinander über ihre Steuereinheiten 58 synchronisiert werden können. Die einzelnen Energiesteuereinheiten 58 können auch über einen Leitrechner miteinander verbunden sein. Dadurch ist es unter anderem möglich, zum Beispiel eine gesamte Montagestraße in einem Werk autark mit Energie zu versorgen.
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Alternativ dazu kann eine Anlage auch sehr klein gehalten werden, so dass sie beispielsweise für einen Endverbraucher als Ladestation für ein Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Der Energiepuffer 24, 24' kann zu beliebigen Zeiten, zum Beispiel mit Nachtstrom oder Solar aufgeladen werden. Durch einen Hochvoltanschluss kann auch eine in einem Kraftfahrzeug verbaute Traktionsbatterie relativ wieder geladen werden. Hier würde das langwierige Laden entfallen. Es entfallen größere Anpassungen in der Infrastruktur, da die Energiepuffer 24, 24' für sich abgeschlossen sind und über definierte Schnittstellen 46 verfügen.
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Eine Synchronisation unterschiedlicher Energiequellen, wie Brennstoffzellen, Generatoren, Notstromaggregaten, kann auch primärseitig beispielsweise an der Wechselspannungsleitung 38 erfolgen.
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All diese Vorteile können mit den gebrauchten Traktionsbatterien 44, 44' aus Kraftfahrzeugen realisiert werden. Hierdurch sind also gebrauchte Traktionsbatterien einem weiteren technischen Nutzen zugeführt. Durch die Erfindung ist somit ein Second-Life-Batteriesystem mit integrierter Netzrückspeisung realisiert.
