-
Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem mit erhöhter abgegebener elektrischer Leistung das mehrere parallel angeordnete Energiespeichermodulstränge besitzt.
-
Herkömmliche Energiespeichermodule, insbesondere Batterien können in einem Dauerbetrieb nur mit einer maximalen zulässigen Stromstärke und Spannung betrieben werden. Die Höhe der dabei abgegebenen elektrischen Leistung richtet sich nach dem Typ des Energiespeichermoduls sowie nach der Konfiguration des Gesamtsystems. Aus Sicherheitsgründen ist vom Hersteller des Energiespeichermoduls, beispielsweise des Batterieherstellers, daher die maximale Stromstärke bzw. die maximale Leistung des jeweiligen Speichermoduls begrenzt. Da die elektrische Spannung des Energiespeichermoduls in der Regel innerhalb des Gesamtsystems vorgegeben ist und zudem von dem Ladezustand des Systems abhängig ist, wird daher herkömmlicherweise die Stromstärke auf eine maximal zulässige Stromstärke begrenzt. Ein Grund hierfür besteht darin, dass beispielsweise eine erhöhte Alterungsrate bei Belastung mit erhöhten Stromstärken einem angestrebten Lebensdauerzyklus entgegensteht. Weiterhin kann bei zu hohen Stromstärken, die über einen längeren Zeitraum fließen, eine sicherheitskritische Temperatur erreicht werden oder sonstige unerwünschte Nebenreaktionen stattfinden. Hierdurch kann die Sicherheit des Energiespeichersystems vermindert werden. Ein weiterer Grund für die Begrenzung der maximalen Stromstärke kann die elektrische Auslegung der Energiespeichermodule bzw. Batteriezellen sein, die einer Dauerbelastung bei erhöhten Strömen und Spannungen nicht gewachsen sind.
-
Energiespeichermodule, insbesondere Batterien können jedoch kurzzeitig in einem Pulsbetrieb mit einem erhöhten Pulsstrom bzw. einer erhöhten Pulsleistung über einen relativ kurzen Zeitraum betrieben werden. Dabei ist der Pulsstrom im Vergleich zu einem nominellen Dauerstrom während eines Dauerbetriebs erhöht. Der Grund hierfür liegt darin, dass sowohl ein Temperaturanstieg innerhalb des Energiespeichermoduls als auch chemische Reaktionen, insbesondere unerwünschte Nebenreaktionen, eine gewisse Trägheit haben. Daher kann ein Energiespeichermodul für einen kurzen Zeitraum einen erhöhten Pulsstrom liefern und überlastet werden, solange das Energiespeichermodul anschließend in einer ausreichend lang bemessenen Ruhephase unterhalb oder gleich der maximal zulässigen Dauerleistung betrieben wird. Die meisten Hersteller von Energiespeichermodulen bzw. Batteriezellen geben daher einen im Dauerbetrieb erhöhten Pulsstrom bzw. eine erhöhte Pulsleistung an, mit der das Energiespeichermodul für eine vorgegebene zulässige Pulsbetriebszeit mit anschließender anschließender Ruhezeit betrieben werden kann.
-
Herkömmliche Energiespeichersysteme betreiben die in ihren Energiespeichermodulen seriell verschalteten Energiespeichermodule in einem Dauerbetrieb und nur kurzzeitig im Pulsbetrieb, so dass die von dem Energiespeichersystem insgesamt gelieferte elektrische Leistung über einen längeren Zeitraum relativ gering ist.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Energiespeichersystem zu schaffen, bei dem die von dem Energiespeichersystem abgegebene elektrische Leistung erhöht wird ohne dass die Sicherheit des Energiespeichersystems beeinträchtigt wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Energiespeichersystem mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
-
Die Erfindung schafft demnach ein Energiespeichersystem mit mindestens zwei parallel angeordneten Energiespeichermodulsträngen, die jeweils ein Energiespeichermodul oder mehrere seriell verschaltete Energiespeichermodule aufweisen, wobei mindestens ein Energiespeichermodulstrang während einer vorgegebenen für Pulsbetrieb zulässigen Pulsbetriebszeit in einem Pulsbetrieb einen Pulsstrom liefert und die übrigen Energiespeichermodulstränge in einem Dauerbetrieb maximal den niedrigeren nominellen Dauerstrom liefern.
-
In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems werden nach Ablauf der zulässigen Pulsbetriebszeit, die bisher im Pulsbetrieb befindlichen Energiespeichermodulstränge in einen Dauerbetrieb umgeschaltet, in dem sie jeweils maximal den nominellen Dauerstrom liefern, und zumindest einen Teil der bisher im Dauerbetrieb befindlichen Energiespeichermodulstränge in einen Pulsbetrieb umgeschaltet.
-
Dies bietet den Vorteil, dass die Energiespeichermodule innerhalb der Energiespeichermodulstränge eine genügend lange Ruhephase haben und auf diese Weise nicht überlastet werden. Insbesondere werden hierdurch ein übermäßiger Temperaturanstieg sowie ungewollte chemische Nebenreaktionen verhindert.
-
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems beträgt ein Stromverhältnis zwischen einem Pulsstrom, der von einem Energiespeichermodulstrang im Pulsbetrieb geliefert wird, und einem Dauerbetriebsstrom, der von dem einen Energiespeichermodulstrang in einem Dauerbetrieb geliefert wird mehr als eins.
-
Dies bietet den Vorteil, dass die von dem Energiespeichersystem gelieferte elektrische Leistung höher ist als in einem Fall, in dem alle Energiespeichermodule in einem Dauerbetrieb betrieben werden und nur einen nominellen Dauerstrom liefern.
-
In einer möglichen Ausführungsform ist dieses Stromverhältnis zwischen dem Pulsstrom und dem Dauerstrom innerhalb der vom Hersteller des Energie-Speichermoduls vorgegebenen Betriebsgrenzen einstellbar.
-
In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems sind die Energiespeichermodulstränge jeweils über einen regelbaren bidirektionalen Inverter an einen Wechselstrombus des Energiespeichersystems angeschlossen. Dies bietet den Vorteil, dass die verschiedenen Energiespeichermodulstränge separat durch Ansteuerung ihres jeweiligen regelbaren Inverters zwischen einem Pulsbetrieb und einem Dauerbetrieb umgeschaltet werden können.
-
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems sind die Energiespeichermodulstränge jeweils über eine regelbare bidirektionale DC/DC-Stelleinheit an einen Gleichstrom (DC-Bus) des Energiespeichersystems angeschlossen.
-
Diese Ausführungsform bietet ebenfalls den Vorteil, dass die verschiedenen Energiespeichermodulstränge durch Ansteuerung ihrer regelbaren DC/DC-Stelleinheit zwischen einem Pulsbetrieb und einem Dauerbetrieb umgeschaltet werden können.
-
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems werden die regelbaren Inverter und/oder die regelbaren DC/DC-Stelleinheiten durch einen System-Controller des Energiespeichersystems angesteuert.
-
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der System-Controller des Energiespeichersystems je nach Leistungsanforderung einen oder mehrere der parallel verschalteten Energiespeichermodulstränge von einem Dauerbetrieb in einen Pulsbetrieb zur Erhöhung der elektrischen Leistung umschalten kann.
-
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems weisen die Energiespeichermodule des Energiespeichermodulstrangs primäre oder sekundäre Batterien auf.
-
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems sind die Energiespeicherzellen eines Energiespeichermodulstranges in einem austauschbaren Rack angeordnet.
-
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Energiespeichermodulstränge in einfacher Weise manuell austauschbar sind.
-
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems weist dieses mehr als zwei Energiespeichermodulstränge auf, wobei die Energiespeichermodulstränge zur Amplitudenminimierung von Schaltrippeln zeitlich gestaffelt getaktet werden.
-
Durch die Minimierung der amplitudengenerierten Schaltrippel können unerwünschte Störungen von anderen Komponenten vermieden werden.
-
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems ist der AC-Bus über eine Transformatoreinheit an ein Niederspannungsnetz schaltbar.
-
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems ist der DC-Bus an einen DC/AC-Wandler angeschlossen, der über eine Transformatoreinheit an ein Niederspannungsnetz schaltbar ist.
-
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems ist der System-Controller des Energiespeichersystems über ein Datennetzwerk mit einer zentralen Steuereinheit eines Netzwerkbetreibers verbunden.
-
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die von dem Energiespeichersystem abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit von Parametern des Netzwerkes, insbesondere des Niederspannungsnetzwerks, beispielsweise der Netzfrequenz, dynamisch angepasst werden kann.
-
Die Erfindung schafft ferner ein Niederspannungsnetz mit den in Patentanspruch 13 angegebenen Merkmalen.
-
Die Erfindung schafft demnach ein Niederspannungsnetz mit einem oder mehreren Energiespeichersystemen, wobei die Energiespeichersysteme jeweils mindestens zwei parallel angeordnete Energiespeichermodulstränge besitzen, die jeweils seriell verschaltete Energiespeichermodule aufweisen, wobei mindestens ein Energiespeichermodulstrang eines Energiespeichersystems in einem Pulsbetrieb während einer vorgegebenen für Pulsbetrieb zulässigen Pulsbetriebszeit einen erhöhten Pulsstrom liefert, und die übrigen Energiespeichermodulstränge in einem Dauerbetrieb höchstens den maximal zulässigen nominellen Dauerstrom liefern.
-
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren mit den in Patentanspruch 14 angegebenen Merkmalen.
-
Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zur Erhöhung einer innerhalb von einem Energiespeichersystem abgegebenen elektrischen Leistung, wobei das Energiespeichersystem mindestens zwei parallel angeordnete Energiespeichermodulstränge aufweist, die jeweils seriell verschaltete Energiespeichermodule enthalten, wobei mindestens ein Energiespeichermodulstrang des Energiespeichersystems in einem Pulsbetrieb während einer vorgegebenen für Pulsbetrieb zulässigen Pulsbetriebszeit einen erhöhten Pulsstrom liefert und die übrigen Energiespeichermodulstränge des Energiespeichersystems in einem Dauerbetrieb höchstens den maximal zulässigen nominellen Dauerstrom liefern.
-
In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach Ablauf der vorgegebenen zulässigen Pulsbetriebszeit die bisher im Pulsbetrieb befindlichen Energiespeichermodulstränge in einen Dauerbetrieb umgeschaltet, in dem sie jeweils einen nominellen Dauerstrom liefern, und mindestens einen Teil der bisher im Dauerbetrieb befindlichen Energiespeichermodulstränge in einen Pulsbetrieb umgeschaltet, in dem sie jeweils einen erhöhten Pulsstrom liefern.
-
In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Energiespeichermodulstränge zur Minimierung einer Amplitude von Schaltrippeln zeitlich gestaffelt getaktet.
-
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erhöhung der innerhalb von einem Energiespeichersystem abgegebenen elektrischen Leistung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems;
-
2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems;
-
3, 4 Diagramme zur Verdeutlichung der Funktionsweise eines Energiespeichersystems mit zwei parallel angeordneten Energiespeichermodulsträngen;
-
5, 6 Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des Energiespeichersystems gemäß der Erfindung mit vier parallel angeordneten Energiespeichermodulsträngen;
-
7, 8 Diagramme zur Verdeutlichung einer gestaffelten Ansteuerung von Energiespeichermodulsträngen bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erhöhung der elektrischen Leistung eines Energiespeichersystems.
-
Wie man aus 1 erkennen kann, weist ein Energiespeichersystem 1 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung mehrere Energiespeichermodulstränge auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt das Energiespeichersystem über n Energiespeichermodulstränge, 2-1, 2-3 und 2-n. Jeder der mindestens zwei parallel angeordneten Energiespeichermodulstränge 2-i, weist seinerseits mehrere seriell verschaltete Energiespeichermodule auf. Beispielsweise werden in jedem Energiespeichermodulstrang eine vorgegebene Anzahl m von seriell verschalteten Energiespeichermodulen vorgesehen. Jedes Energiespeichermodul kann beispielsweise aus einer primären oder sekundären bzw. wiederaufladbaren Batterie bzw. Akkumulator bestehen.
-
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeichermodule bzw. die Energiespeicherzellen des Energiespeichermodulstranges 2-i in einem austauschbaren Rack 3-i angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, einen kompletten Energiespeichermodulstrang 2-i des Energiespeichersystems 1 manuell auszutauschen. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist jeweils Rack 3-i bzw. ein Batterie-Rack 2-i über einen Steuerbus 5 an einen System-Controller 4 des Energiespeichersystems 1 angeschlossen. Hierzu sind die verschiedenen Batterie-Racks 2-i über den Steuerbus 5 mit dem System-Controller 4 des Energiespeichersystems 1 verbunden. Der System-Controller 4 des Energiespeichersystems 1 weist einen oder mehrere Mikroprozessoren auf und ist so ausgelegt, ein entsprechendes Steuerprogramm auszuführen. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist jeder Energiespeichermodulstrang 2-i über eine zugehörige, regelbare DC/DC-Stelleinheit 6-i mit einem DC-Bus 7 des Energiespeichersystems 1 verbunden. Auf dem DC-Bus liegt eine Gleichspannung von beispielsweise 800 V an. Die DC/DC-Stelleinheiten 6-i sind ebenfalls über einen Steuerbus 8 mit dem Systemcontroller 4 des Energiespeichermoduls 1 verbunden. Der System-Controller 4 gibt Steuerungssignale an die Leistungselektronik der regelbaren DC/DC-Stelleinheiten und/oder der Energiespeichermodulstränge innerhalb der Racks ab. Wie man aus 1 erkennen kann, ist der DC-Bus 7 an einen DC/AC-Wandler 9 angeschlossen, der ebenfalls über einen Steuerbus 10 mit dem System-Controller 4 des Energiespeichersystems 1 verbunden ist. Der DC/AC-Wandler 9 ist über eine Trafoeinheit 11 mittels eines Schalters 12 an ein Niederspannungsnetz 13 einer Utility 14 schaltbar, die über einen Kommunikations-Bus 15 mit dem System-Controller 4 des Energiespeichersystems 1 kommunizieren kann. Beispielsweise weist die Utility 14 eine zentrale Steuereinheit eines Netzwerkbetreibers auf und kann über den Kommunikations-Bus 15 eine aktuelle Leistungsanforderung an den System-Controller 4 übertragen.
-
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems 1 wird mindestens ein Energiespeichermodulstrang 2-i während einer vorgegebenen für Pulsbetrieb zulässigen Pulsbetriebszeit in einen Pulsbetrieb PB betrieben und liefert einen erhöhten Pulsstrom, während die übrigen Energiespeichermodulstränge in einem Dauerbetrieb DB einen niedrigeren, maximal nominellen Dauerstrom liefern. Die parallel angeordneten Stränge bzw. Energiespeichermodulstränge 2-i werden bei einer möglichen Ausführungsform alternierend im Pulsbetrieb PB gefahren, während die nicht im Pulsbetrieb PB betriebenen Energiespeichermodulstränge lediglich elektrische Ströme liefern, die geringer sind als der nominelle maximale Dauerstrom, so dass sich diese Energiespeichermodulstränge erholen können.
-
Nach Ablauf der zulässigen Pulsbetriebszeit werden die bisher im Pulsbetrieb PB befindlichen Energiespeichermodulstränge in einen Dauerbetrieb umgeschaltet. In diesem Dauerbetrieb liefern sie dann jeweils maximal einen nominellen Dauerstrom. Zumindest ein Teil der bisher im Dauerbetrieb DB befindlichen Energiespeichermodule wird umgekehrt in einen Pulsbetrieb PB umgeschaltet. Ein vormals in einem Pulsbetrieb PB gefahrene Energiespeichermodulstrang 2-i wird dann nur noch maximal mit dem nominellen maximalen Dauerstrom betrieben, und der oder einer der vormals innerhalb der vorgegebenen Grenzen zur Dauerbelastung betriebenen Energiespeichermodulstränge wird nach dem Umschalten in dem Pulsbetrieb PB betrieben, d.h. mit dem nominellen maximalen Pulsstrom.
-
Auf Systemebene, d.h. auf Ebene des Energiespeichersystems 1, kann somit permanent die mögliche Dauerleistung bzw. Stromstärke signifikant erhöht werden. So weist jeder Energiespeichermodulstrang 2-i eine maximale Stromstärke Istrang DBmax für den Dauerbetrieb DB bzw. eine Strom Istrang PBmax für den Pulsbetrieb PB auf. Im Pulsbetrieb PB kann dieser maximale Strom Istrang PBmax für eine vorgegebene maximale Zeit abgegeben werden.
-
Die Summe der maximalen Stromstärke, die von dem Energiespeichersystem 1 mit n > 2 parallelen Energiespeichersträngen 2-i ohne alternierende Umschaltung abgeben kann, beträgt somit die Isystem DBmax = Istrang DBmax·n, wobei n die Anzahl der parallel angeordneten Energiespeichermodulstränge 2-i des Energiespeichersystems 1 ist. Die maximale Summenstromstärke des Energiespeichersystems 1 mit n > 2 parallelen Energiespeichersträngen beträgt demgegenüber bei einer alternierenden Umschaltung, wenn n – 1 Energiespeicherstränge im Dauerlastbetrieb DB gefahren werden und ein Energiespeichermodulstrang 2-i im Pulsbetrieb PB gefahren wird:
-
Isystem DBmax,M= Istrang DBmax·(n – 1) + Istrang PBmax. Bei einer möglichen Implementierung beträgt der maximale Dauerstrom beispielsweise 10 A, der dauerhaft von dem jeweiligen Energiespeichermodulstrang geliefert werden kann.
-
Weiterhin kann bei einer möglichen Implementierung der maximale Pulsstrom, der im Pulsbetrieb PB von einem Energiespeichermodulstrang geliefert werden kann, eine Amplitude von maximal 15 A aufweisen. Dieser Pulsstrom kann bei einer möglichen beispielhaften Implementierung von dem jeweiligen Energiespeichermodulstrang 2-i für eine Zeitdauer von 60 Sekunden geliefert werden.
-
Bei dieser spezifischen, beispielhaften Implementierung beträgt ohne alternierenden Pulsbetrieb der maximale Gesamtstrom des Energiespeichersystems 2·10 A = 20 A.
-
Demgegenüber beträgt der von dem Energiespeichersystem 1 gemäß der Erfindung gelieferte Gesamtstrom bei alternierendem Pulsbetrieb der Energiespeichermodulstränge 25 A. PBmax = (2 – 1)·10A + 15A = 25A
-
Daher kommt es bei dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem 1 zu einer Steigerung des abgegebenen Gesamtstromes im Vergleich zu einem herkömmlichen Energiespeichersystem im Verhältnis von 25 A zu herkömmlicherweise 20 A bei dieser beispielhaften Implementierung. In einem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem 1 ist das Stromverhältnis zwischen einem Pulsstrom, der von einem Energiespeichermodulstrang 2-i im Pulsbetrieb PB geliefert wird, und einem Dauerstrom, der von einem Energiespeichermodulstrang 2-i im Dauerbetrieb DB geliefert ist, größer eins. Bei der oben beschriebenen spezifischen, beispielhaften Implementierung beträgt dieses Stromverhältnis 25 A : 20 A = 1,25.
-
In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 1 ist das Stromverhältnis zwischen Pulsstrom und Dauerbetriebstrom innerhalb der vom Hersteller angegebenen Grenzen seitens des System-Controllers 4 einstellbar.
-
Die maximale von dem Energiespeichersystem 1 abgegebene elektrische Leistung ergibt sich aus der maximalen Stromstärke sowie der von dem System vorgegebenen elektrischen Spannung.
-
Ist die maximale Betriebszeit tPBmax für Pulsbetrieb PB geringer als die minimal notwendige Ruhezeit tPBmin können mehrere Energiespeichermodulstränge 2-i parallel verschaltet werden. Die minimale Anzahl der parallel verschalteten Energiespeichermodule 2-i ist in einer möglichen Implementierung: nmin = tPBmin/tPBmax + 1, wobei auf den nächsten größeren ganzzahligen Wert aufgerundet wird.
-
Die mögliche Erhöhung des Stromes bzw. der Leistung durch den alternierenden Pulsbetrieb des Energiespeichersystems ergibt sich zu: Isystem DBmax,M/Isystem DBmax,O
= (Istrang DBmax·(n – 1) + Istrang PBmax)/(Istrang DBmax·n)
= (n – 1)/n + 1/n·(Istrang PBmax/Istrang DBmax)
-
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystem 1 gemäß der Erfindung. Die den Komponenten des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 identischen Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die verschiedenen Energiespeichermodulstränge 2-i nicht an regelbare DC/DC-Stelleinheiten, sondern an regelbare Inverter bzw. AC/DC-Umsetzer 16-1, 16-2, 16-n angeschlossen. Diese regelbaren Inverter werden von dem System-Controller 4 des Energiespeichersystems 1 über einen Steuerbus 8 angesteuert. Die regelbaren Inverter 16-i sind auf der einen Seite mit jeweils einem Energiespeichermodulstrang 2-i verbunden, und auf der anderen Seite mit einem gemeinsamen AC-Bus 17 des Energiespeichersystems 1 verbunden. Bei dem AC-Bus 17 kann es sich um einen ein- oder mehrphasigen Wechselstrom bzw. Wechselspannungsbus handeln. Der Bus weist beispielsweise drei Phasen mit einer Spannungsamplitude von 400 V auf. Der AC-Bus 17 ist bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Transformatoreinheit 11 mit Hilfe des Schalters 12 an ein Niederspannungsnetz 13 schaltbar. Die in 2 dargestellte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass kein zentraler DC/AC-Wandler notwendig ist, wie er im Ausführungsbeispiel gemäß 1 als AC/DC-Wandler 9 dargestellt ist. Es erfolgt bei der in 2 dargestellten Ausführungsform somit eine direkte Umsetzung der von den Energiespeichermodulsträngen 2-i gelieferten Gleichspannung in eine Wechselspannung, die in das Niederspannungsnetz 13 eingespeist werden kann.
-
Die 3, 4 zeigen Zeitdiagramme zur Verdeutlichung der Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 1 mit zwei Energiespeichermodulsträngen. 3 zeigt oben den zweiten Energiespeichermodulstrang 2-2, der alternierend zwischen einem Pulsbetrieb PB und einem Dauerbetrieb DB umgeschaltet wird. Wie man aus 3 erkennen kann, liefert der Energiespeichermodulstrang 2-2 im Pulsbetrieb einen höheren Strom, nämlich den Pulsstrom, als im Dauerbetrieb in dem das Energiespeichermodul lediglich einen nominellen Dauerstrom liefert. In gleicher Weise kann ein erster Energiespeichermodulstrang 2-1 zwischen einem Pulsbetrieb PB und einem Dauerbetrieb DB alternierend umgeschaltet werden. 4 zeigt zur Verdeutlichung den von den Energiespeichermodulen 2-1, 2-2 gelieferten Dauerstrom ohne Pulsbetrieb. 3 zeigt ferner unten einen alternierenden Betrieb der beiden Energiespeichermodulstränge 2-1, 2-2 des Energiespeichersystems 1, wobei in der gleichen Zeitperiode einer der beiden Energiespeichermodulstränge im Pulsbetrieb PB betrieben wird, während gleichzeitig der andere Energiespeichermodulstrang sich im Dauerbetrieb DB befindet. 4 zeigt im Vergleich unten den Betrieb des entsprechenden Energiespeichersystems, wobei beide Stränge 2-1, 2-2 andauernd im Dauerbetrieb DB gefahren werden. Wie man durch Vergleich der 3, 4 ohne Weiteres erkennen kann, ist der von dem Energiespeichersystem 1 gelieferte Gesamtstrom, der von beiden Energiespeichersträngen 2-1, 2-2 stammt, höher als der Gesamtstrom des herkömmlichen Energiespeichersystems, wie es in 4 unten dargestellt ist.
-
Das alternierende Umschalten der beiden Energiespeichermodulstränge 2-i erfolgt vorzugsweise nachdem die maximal zulässige Pulsbetriebszeit tPBmax abgelaufen ist. In einer möglichen Ausführungsform verfügt der System-Controller 4 des Energiespeichersystems 1 über einen entsprechenden Zeitgeber oder Zähler, um die maximal zulässige Pulsbetriebszeit zu messen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zulässige Pulsbetriebszeit an dem System-Controller 4 konfigurierbar bzw. einstellbar. Beispielsweise befindet sich ein entsprechender Zählwert für die Pulsbetriebszeit, in einem Register, auf den der System-Controller 4 des Energiespeichersystems 1 Zugriff hat. Der Zähler kann bei einer möglichen Ausführungsform in jeder Taktflanke eines angelegten Taktsignals dekrementiert werden bis er den Wert null erreicht. Sobald der Zähler den Nullwert erreicht werden die Energiespeichermodulstränge 2-i jeweils in den anderen Betriebsmodus umgeschaltet, d.h. von einem Pulsbetrieb PB in einen Dauerbetrieb DB, und umgekehrt, von einem bisherigen Dauerbetrieb DB in einen Pulsbetrieb PB.
-
Die 5, 6 verdeutlichen die Funktionsweise des Energiespeichersystems 1 bei dem das Energiespeichersystem 1 vier Energiespeichermodulstränge besitzt. Jeder der verschiedenen Energiespeichermodulstränge 2-i kann, wie in 5 oben dargestellt, zwischen einem Pulsbetrieb PB und einem Dauerbetrieb DB alternierend umgeschaltet werden. Dabei können die Energiespeichermodule auch versetzt in den Pulsbetrieb zueinander umgeschaltet werden, wie in 6 oben verdeutlicht.
-
Werden die verschiedenen Energiespeichermodulstränge 2-i im Gleichtakt ohne Versetzung betrieben, ist es beispielsweise möglich, dass zwei der Energiespeichermodulstränge im Pulsbetrieb PB arbeiten, während die beiden übrigen Energiespeichermodulstränge im Dauerbetrieb DB arbeiten. Beispielsweise werden, wie in 5 unten dargestellt, zunächst die beiden Energiespeichermodule 2, 3 im Dauerbetrieb DB betrieben und die beiden übrigen Energiespeichermodule 1, 4 im Pulsbetrieb PB. Bei Ablauf der maximal zulässigen Pulsbetriebszeit werden die beiden im Pulsbetrieb PB betriebenen Energiespeichermodule 1, 4 für den Dauerbetrieb DB umgeschaltet und gleichzeitig die beiden übrigen Energiespeichermodule 2, 3 in den Pulsbetrieb PB, wie in 5 unten dargestellt. Nach weiteren Ablauf einer maximal zulässigen Pulsbetriebszeit können die beiden Energiespeichermodule 1, 4 wieder in den Pulsbetrieb PB zurückgeschaltet werden, während die beiden Energiespeichermodule 2, 3 in den Dauerbetrieb DB umgeschaltet werden, wie in 5 dargestellt. In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel werden somit die verschiedenen Energiespeichermodulstränge 2-i des Energiespeichersystems 1 in Gleichtakt paarweise umgeschaltet.
-
Bei dem in 6 dargestellten Verlauf werden die verschiedenen Energiespeichermodulstränge 2-i versetzt zueinander in den Pulsbetrieb PB geschaltet. Bei dem in 6 dargestellten Beispiel befinden sich zunächst die Energiespeichermodule 1, 3 im Pulsbetrieb PB und die beiden übrigen Energiespeichermodule 2, 4 im Dauerbetrieb DB. Das Umschalten des Energiespeichermoduls 3 von dem Pulsbetrieb PB in den Dauerbetrieb DB findet früher statt als das Umschalten des Energiespeichermoduls 1 in den Dauerbetrieb DB. Beim Umschalten des Energiespeichermoduls 3 in den Dauerbetrieb DB wird gleichzeitig das bisher im Dauerbetrieb DB betriebene Energiespeichermodul 4 in den Pulsbetrieb umgeschaltet, wie in 6 unten dargestellt. In den in 6 dargestellten Implementierungsbeispielen werden somit zwei Paare von Energiespeichermodulen, nämlich als erstes Paar von Energiespeichermodul bestehend aus den Energiespeichermodulsträngen 1 und 2 und als zweites Paar von Energiespeichermodulen, bestehend aus den Energiespeichermodulsträngen 3, 4, versetzt zueinander alternierend zwischen Pulsbetrieb PB und Dauerbetrieb DB umgeschaltet.
-
In einem realen Energiespeichersystem kann aufgrund der Regelcharakteristik die regelbaren DC/DC-Stelleinheiten 6-i bzw. der regelbare Inverter 16-2 der einzelnen Energiespeichermodulstränge 2-i, d.h. deren Leistungselektronik und Batterieeinschaltvorgang, keine ideale Sprungantwort realisiert werden. Es kommt daher bei herkömmlichen Energiespeichersystemen beim alternierenden Hoch- und Runterschalten zu kleinen Stromschwankungen, sogenannten Schaltrippeln. Werden in einem solchen Energiespeichersystem mit mehr als zwei Energiespeichersträngen abwechselnd die eine Hälfte der Energiespeicherstränge parallel im Pulsbetrieb und die andere Hälfte der Energiespeicherstränge im Dauerbetrieb getaktet, können sich die Amplituden der Schaltrippel unerwünschterweise aufsummieren.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 1 mit mehr als zwei parallelen Energiespeichermodulsträngen 2-i, werden daher die verschiedenen Energiespeichermodule 2-i vorzugsweise gestaffelt getaktet, wie beispielsweise in 6 unten dargestellt. Daher kommt es zwar häufiger zu kleineren Rippelausschlägen, aber diese Rippelausschläge weisen eine deutlich geringere Amplitude auf. Dies wird anhand von 7, 8 verdeutlicht. Bei dem in 7, 8 ausgeführten Ausführungsbeispiel weist das Energiespeichersystem 1 vier Energiespeichermodulstränge 2-i auf. 7 zeigt einen Pulsbetrieb PB der verschiedenen Energiespeichermodule im Gleichtakt, wohingegen 8 einen gestaffelten bzw. zeitlich versetzten Pulsbetrieb zeigt. Beim Übergang in den alternierenden Pulsbetrieb wird ein Teil der Energiespeichermodule nicht bis zur maximal zulässigen Pulsbetriebszeit tPBmax, sondern in einem verringerten Zeitfenster tPB1 gefahren, wie in 8 angedeutet. Nach Ablauf dieses Zeitfensters tPB1 wird erstmals gewechselt, allerdings nur für die Hälfte der möglichen Energiespeichermodulpärchen, im vorliegenden Fall für die beiden Energiespeichermodule 3, 4, wie in 8 zu sehen. Erst nach Verstreichen einer Zeit tPB2 wird der Betriebsmodus die andere Hälfte der Energiespeichermodulstränge 2-i gewechselt, d.h. für die Energiespeichermodule 1 und 2 bei dem in 8 dargestellten Implementierungsbeispiel. Danach wird abwechselnd jeweils nach tPBmax, d.h. nach Ablauf der maximal zulässigen Pulsbetriebszeit ein Energiespeichermodulstrang von dem Pulsbetrieb PB in den Dauerbetrieb DB umgeschaltet, und dafür ein vorher ausreichend lang im Dauerbetrieb betriebener Energiespeichermodulstrang in den Pulsbetrieb PB umgeschaltet. Wie man aus den 7, 8 oben erkennen kann, sind die Schaltrippel bei dem gestaffelten Pulsbetrieb geringer als die Schaltrippel bei dem Gleichtaktpulsbetrieb.
-
In einer möglichen Ausführungsform ist die zeitliche Versetzung zur Minimierung der Schaltrippel einstellbar. Der System-Controller 4 des Energiespeichersystems steuert die regelbaren Stelleinheiten 6-i bzw. Inverter 16-i entsprechend an.
-
In einer möglichen Ausführungsform erhält der System-Controller 4 des Energiespeichersystems 1 eine Leistungsanforderung von einer zentralen Steuereinheit 14 des Niederspannungsnetz 13. In einer möglichen Ausführungsform kann der System-Controller 4 alle Energiespeichermodule im Dauerbetrieb DB betreiben, wie beispielsweise in 4 dargestellt, um eine Leistung entsprechend einer entsprechenden Leistungsanforderung zu reduzieren. Fordert die zentrale Steuereinheit 14 des Niederspannungsnetzes 13 bzw. Stromversorgungsnetzes eine höhere Leistungsabgabe, kann der System-Controller 4 die von dem Energiespeichersystem 1 gelieferte Leistung bzw. den Strom entsprechend der Anforderung steigern, indem er zu einem alternierenden Pulsbetrieb PB übergeht, wie beispielsweise in 3 dargestellt. Weiterhin hat der System-Controller 4 die Möglichkeit, durch Hin-, Zu- und Abschalten von ganzen Energiespeichermodulsträngen, die Gesamtleistung oder den Gesamtstrom zusätzlich einzustellen. In einer möglichen Implementierungsvariante hat der System-Controller 4 zusätzlich die Möglichkeit die Stromstärke verschiedener Phasen des mehrphasigen AC-Busses 17 getrennt einzustellen.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem 1 ist es möglich ohne eine von dem Hersteller der Energiespeichermodule erlaubte übermäßige Beanspruchung der Zellen oder Module eine maximale Leistung bzw. eine maximal verfügbare Stromstärke des Energiespeichersystems 1 mit mehreren parallel angeordneten Energiespeichermodulsträngen signifikant zu erhöhen. Die Energiespeicherzellen werden dabei lediglich innerhalb der von dem Hersteller vorgegebenen Restriktionen bzw. Bedingungen beansprucht. Es kommt daher zu keiner erhöhten Abnutzung der Energiespeicherzellen oder zu Sicherheitsproblemen im Vergleich zu einem herkömmlichen Betrieb eines Energiespeichersystems.
