DE102015001010A1 - Energy transmission system and method of its operation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem zur Übertragung elektrischer Energie von einem mehrere Batteriezellen (2) umfassenden Energiespeichersystem (3) auf ein mit Verbrauchern verbindbares internes Stromversorgungsnetz (1), welches mit mindestens einer Wirkleistungsmesseinrichtung (13) zur Ermittlung der über das interne Stromversorgungsnetz (1) übertragenen Wirkleistung gekoppelt ist. Um zu erreichen, dass bei unterschiedlichen Lasten, insbesondere bei geringen Lasten, jeweils eine möglichst optimale Anpassung des Gesamtwirkungsgrades des Energieübertragungssystems (4) erreicht wird, schlägt die Erfindung vor, von einem Energieübertragungssystem (4) auszugehen, bei dem jede Batteriezelle (2) eines Energiespeichersystems (3) über einen bidirektionalen Energieübertragungsmodul (8), der ein Wechselrichtermodul (10) umfasst, mit dem internen Stromversorgungsnetz (1) verbindbar ist. Dabei enthalten die Energieübertragungsmodule (8) mindestens eine, von einer Zentraleinheit (12) ansteuerbare Schalteinrichtung (11), über die das entsprechende Energieübertragungsmodul (8) mit dem internen Stromversorgungsnetz (1) elektrisch verbindbar oder von dem das Energieübertragungsmodul (8) elektrisch abtrennbar ist, so dass für eine mit dem internen Stromversorgungsnetz (1) verbundene Last von der Zentraleinheit (12) nur so viele Energieübertragungsmodule (8) mit dem internen Stromversorgungsnetz (1) verbunden werden, die gerade ausreichen, um diese Last mit Energie zu versorgen.The invention relates to an energy transmission system for transmitting electrical energy from an energy storage system (3) comprising a plurality of battery cells (2) to an internal power supply network (1) which can be connected to consumers and which has at least one active power measuring device (13) for determining the voltage via the internal power supply network (1). transmitted active power is coupled. In order to achieve that at different loads, in particular at low loads, each optimal adjustment of the overall efficiency of the energy transmission system (4) is achieved, the invention proposes to start from a power transmission system (4), wherein each battery cell (2) of a Energy storage system (3) via a bidirectional power transmission module (8) comprising an inverter module (10), with the internal power supply network (1) is connectable. In this case, the energy transmission modules (8) comprise at least one switching device (11) which can be controlled by a central unit (12) via which the corresponding energy transmission module (8) can be electrically connected to the internal power supply network (1) or from which the energy transmission module (8) can be electrically disconnected in that, for a load connected to the internal power supply network (1), only so many energy transfer modules (8) are connected to the internal power supply network (1) by the central unit (12) just enough to supply that load with energy.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem zur Übertragung elektrischer Energie von einem mehrere Batteriezellen umfassenden Energiespeichersystem auf ein mit Verbrauchern verbindbares internes Stromversorgungsnetz. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb des Energieübertragungssystems beim Entladen der Batteriezellen sowie auf ein Verfahren zum Betrieb des Energieübertragungssystems beim Aufladen der Batteriezellen des Energiespeichersystems.The invention relates to a power transmission system for transmitting electrical energy from an energy storage system comprising a plurality of battery cells to an internal power supply network which can be connected to consumers. The invention further relates to a method for operating the energy transmission system when discharging the battery cells and to a method for operating the energy transmission system during charging of the battery cells of the energy storage system.

Aus der Druckschrift DE 20 2011 003 799 U1 ist es beispielsweise bekannt, die von mehreren Verbrauchern benötigte Wirkleistung mittels einer Wirkleistungsmesseinrichtung zu ermitteln und anschließend durch einen Stromerzeuger aus erneuerbaren Energiequellen und/oder einen Energiespeicher bereitzustellen. Sollte dabei die zur Verfügung gestellte Wirkleistung zum Betrieb aller Verbraucher nicht ausreichen, werden entweder Verbraucher von dem internen Stromversorgungsnetz abgeschaltet oder es werden weitere Stromerzeuger bzw. das öffentliche Wechselstromnetz mit Hilfe einer elektronischen Zentraleinheit zugeschaltet. Dabei werden die Gleichstromausgänge der Energiespeicher und der Stromerzeuger parallel geschaltet und die entsprechende Gleichspannung dann über einen gemeinsamen Wechselrichter in eine der Netzspannung entsprechende Wechselspannung umgewandelt.From the publication DE 20 2011 003 799 U1 For example, it is known to determine the active power required by a plurality of consumers by means of an active power measuring device and then to provide it by a power generator from renewable energy sources and / or an energy store. If in this case the available active power is not sufficient for the operation of all consumers, either consumers are switched off from the internal power supply network or other generators or the public alternating current network are switched on with the aid of an electronic central unit. In this case, the DC outputs of the energy storage and the power generator are connected in parallel and the corresponding DC voltage then converted via a common inverter in a line voltage corresponding AC voltage.

Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist unter anderem, dass bei geringer Last der Wechselrichter in Bezug auf die für die Last zur Verfügung zu stellende Wirkleistung einen sehr hohen Eigenverbrauch an Leistung benötigt und daher einen schlechten Wirkungsgrad (Verhältnis zwischen der dem Wechselrichter entnommenen Wechselstromleistung und der dem Wechselrichter zugeführten Gleichstromleistung) aufweist.A disadvantage of this known device is, inter alia, that at low load of the inverter with respect to the available for the load to be provided active power requires a very high self-consumption of power and therefore a poor efficiency (ratio between the AC power taken from the inverter and the Inverter supplied DC power).

In der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2014 012 994.2 wird ein Energieübertragungssystem beschrieben, welches mindestens zwei Energieübertragungsmodule umfasst, die mit einer sie ansteuernden elektronischen Zentraleinheit verbunden sind. Dabei ist jedes Energieübertragungsmodul einer Batteriezelle zugeordnet, und jedes Energieübertragungsmodul wandelt die von der ihr zugeordneten Batteriezelle erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung um, deren Spannungswert der Wechselspannung des internen Stromversorgungsnetzes entspricht. Die Energieübertragungsmodule umfassen jeweils ein bidirektionales Gleichstromwandlermodul (DC/DC-Modul) zur Übertragung der elektrischen Energie der ihr zugeordneten Batteriezelle auf einen Gleichstromzwischenkreis und ein dem DC/DC-Modul nachgeschaltetes, bidirektionales Wechselrichtermodul (DC/AC-Modul) zur Einspeisung elektrischer Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis in das interne Stromversorgungsnetz.In the unpublished German patent application with the file number 10 2014 012 994.2 An energy transfer system is described which comprises at least two energy transfer modules which are connected to an electronic central processing unit controlling them. In this case, each energy transmission module is assigned to a battery cell, and each energy transmission module converts the DC voltage generated by its associated battery cell into an AC voltage whose voltage value corresponds to the AC voltage of the internal power supply network. The energy transfer modules each comprise a bidirectional DC converter module (DC / DC module) for transmitting the electrical energy of its associated battery cell to a DC link and a downstream of the DC / DC module, bidirectional inverter module (DC / AC module) for feeding electrical energy the DC link in the internal power grid.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energieübertragungssystem anzugeben, mit dem es möglich ist, bei unterschiedlicher Lasten, insbesondere auch bei geringen Lasten, eine möglichst optimale Anpassung des Gesamtwirkungsgrades zu erreichen. Die Erfindung soll ferner Verfahren zum Betrieb des Energieübertragungssystems beim Entladen der Batteriezellen sowie auf ein Verfahren zum Betrieb des Energieübertragungssystems beim Aufladen der Batteriezellen offenbaren.The invention has for its object to provide a power transmission system, with which it is possible to achieve optimal adaptation of the overall efficiency at different loads, especially at low loads. The invention is further intended to disclose methods for operating the energy transfer system when discharging the battery cells and to a method for operating the energy transfer system during charging of the battery cells.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Energieübertragungssystems durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb des Energieübertragungssystems beim Entladen der Batteriezellen durch die Merkmale des Anspruchs 5 und hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb des Energieübertragungssystems beim Aufladen der Batteriezellen durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.This object is achieved according to the invention with regard to the energy transmission system by the features of claim 1, with regard to the method for operating the energy transmission system during discharge of the battery cells by the features of claim 5 and with respect to the method for operating the energy transmission system during charging of the battery cells by the features of claim 6 , Further, particularly advantageous embodiments of the invention disclose the dependent claims.

Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Gedanken, von einem Energieübertragungssystem auszugehen, wie es durch die eingangs erwähnte unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr.: 10 2014 012 994.2 beschrieben wird. Zusätzlich zu dem in dieser Patentanmeldung beschriebenen Energieübertragungssystem sind bei dem erfindungsgemäßen System die einzelnen Energieübertragungsmodule jeweils mit mindestens einer, von der Zentraleinheit ansteuerbaren Schalteinrichtung verbunden, über die das entsprechende Energieübertragungsmodul sowohl mit dem Energiespeichersystem als auch mit dem internen Stromversorgungsnetz elektrisch verbindbar ist oder durch welche das interne Stromversorgungsnetz von dem Energiespeichersystem abtrennbar ist.Essentially, the invention is based on the idea of starting from an energy transmission system, as described by the unpublished German patent application with the file number No .: 10 2014 012 994.2 is described. In addition to the energy transmission system described in this patent application, the individual energy transmission modules are each connected to at least one controllable by the central unit switching device via which the corresponding energy transfer module with both the energy storage system and with the internal power supply network is electrically connected or through which internal power grid can be separated from the energy storage system.

Durch einen derartigen Aufbau des neuen Energieübertragungssystems kann auf einfache Weise eine Übertragung von elektrischer Energie von dem Energiespeichersystem auf das interne Stromversorgungsnetz bei optimalem Wirkungsgrad erreicht werden. Hierzu wird von der Zentraleinheit ständig, oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen, die von dem internen Stromversorgungsnetz für den Betrieb aktiver Verbraucher übertragene Wirkleistung gemessen. Aufgrund der gemessenen Wirkleistung wird dann von der Zentraleinheit die minimale Anzahl der Energieübertragungsmodule ermittelt, die ausreicht, um die gemessene Wirkleistung bereitzustellen. Anschließend erzeugt dann die Zentraleinheit Schaltsignale, welche auf die Schalteinrichtungen der Energieübertragungsmodule wirken, derart, dass nur die Energieübertragungsmodule mit dem internen Stromversorgungsnetz verbunden bleiben, welche für den Betrieb der Verbraucher zwingend erforderlich sind.Such a construction of the new energy transmission system makes it possible to easily achieve a transmission of electrical energy from the energy storage system to the internal power supply network with optimum efficiency. For this purpose, the active power transmitted by the internal power supply network for the operation of active consumers is continuously, or at predetermined time intervals, measured by the central unit. Based on the measured active power is then determined by the central unit, the minimum number of energy transfer modules, which is sufficient to provide the measured active power. Subsequently, the central unit generates switching signals, which on the Switching devices of the energy transfer modules act, such that only the energy transfer modules remain connected to the internal power supply network, which are imperative for the operation of the consumer.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems ist es aber auch auf einfache Weise auch möglich, die Batteriezellen des Energiespeichersystems mittels mindestens einer ebenfalls mit dem internen Stromversorgungsnetz verbundenen Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie mit optimalem Wirkungsgrad wieder zu laden. Hierzu ermittelt die Zentraleinheit ständig, oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen, sowohl den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen als auch die mittels der Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie für das Aufladen der Batteriezellen zur Verfügung stehenden Ladeleistung und verbindet dann durch Betätigung der Schalteinrichtungen nur diejenigen Energieübertragungsmodule mit dem internen Stromversorgungsnetz, deren zugeordnete Batteriezellen aufgeladen werden sollen.With the aid of the energy transmission system according to the invention, however, it is also possible in a simple manner to recharge the battery cells of the energy storage system with optimum efficiency by means of at least one plant also connected to the internal power supply network for generating regenerative energy. For this purpose, the central unit constantly determines, or at predetermined time intervals, both the state of charge of the individual battery cells as well as by means of the plant for generating regenerative energy for charging the battery cells available charging power and then connects by pressing the switching devices only those energy transfer modules with the internal Power supply network whose associated battery cells are to be charged.

Sofern weniger Ladeleistung von der Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie für den Ladevorgang zur Verfügung gestellt wird, als dieses zum Laden aller zu ladenden Batteriezellen erforderlich ist, verbindet die Zentraleinheit das interne Stromversorgungsnetz nur mit den Energieübertragungsmodulen, deren zugeordnete Batteriezellen den geringsten Ladezustand aufweisen.If less charging power is provided by the plant for generating regenerative energy for the charging process, as this is required for charging all to be charged battery cells, the central unit connects the internal power supply network only with the energy transfer modules whose associated battery cells have the lowest state of charge.

Die Schalteinrichtungen zum Ein- und Ausschalten der Energieübertragungsmodule können sowohl am Ausgang des jeweiligen DC/AC-Modules als auch zwischen dem jeweiligen DC/AC-Modul und dem vorgeschalteten DC/DC-Modul des entsprechenden Energieübertragungsmodules angeordnet werden. Es hat sich aber als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Schalteinrichtungen hochstromseitig in das jeweilige DC/DC-Modul (d. h. eingangsseitig in das entsprechende Energieübertragungsmodul) eingefügt werden. Denn dadurch wird sicher vermieden, dass bei deaktiviertem Energieübertragungsmodul Verlustleistungen in den nachfolgenden Baueinheiten erzeugt werden.The switching devices for switching on and off the power transmission modules can be arranged both at the output of the respective DC / AC module and between the respective DC / AC module and the upstream DC / DC module of the corresponding energy transmission module. However, it has proven to be particularly advantageous if the switching devices are inserted high-flow side into the respective DC / DC module (i.e., on the input side into the corresponding energy transmission module). Because this is reliably avoided that are generated in deactivated power transmission module power losses in the subsequent units.

Bei Verwendung bekannter DC/DC-Module, bei denen es sich um bidirektionale Gegentaktflusswandler mit Vollbrückenansteuerung handelt (vgl. hierzu z. B. den aus dem Internet unter http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler abrufbaren Artikel, abgerufen am 06.07.2014), werden die üblicherweise zur Taktung verwendeten, hochstromseitig angeordneten Schaltelemente vorzugsweise auch als Schalteinrichtung zum An- und Abschalten des DC/DC-Moduls verwendet.When using known DC / DC modules, which are bidirectional push-pull flow converters with full-bridge control (see, for example, from the Internet at http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler retrievable article, retrieved on 06.07.2014), the switching elements usually used for clocking, high-current side are preferably also used as a switching device for switching on and off of the DC / DC module.

Dabei kann auch vorgesehen werden, dass die Schaltelemente des entsprechenden DC/DC-Modules mindestens eines der Energieübertragungsmodule sich jeweils aus mehreren, parallel angeordneten, schaltbaren Leistungstransistoren (in der Regel Feldeffekttransistoren) zusammensetzen, so dass je nach Zustand dieser Leistungstransistoren unterschiedliche Energien über das entsprechende Energieübertragungsmodul auf das interne Stromnetz übertragbar sind.It can also be provided that the switching elements of the corresponding DC / DC module at least one of the energy transfer modules each composed of a plurality of parallel, switchable power transistors (usually field effect transistors), so that depending on the state of these power transistors different energies on the corresponding Energy transfer module can be transferred to the internal power grid.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will become apparent from the following, explained with reference to figures embodiment. Show it:

1 die schematische Darstellung eines drei Energieübertragungsmodule umfassenden, erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems, welches ein Energiespeichersystem mit einem internen Stromversorgungsnetz verbindet; 1 the schematic representation of a three energy transmission modules comprehensive, inventive energy transmission system, which connects an energy storage system with an internal power supply network;

2 den schematisch dargestellten DC/DC-Wandler eines Energieübertragungsmodules mit einer Schalteinrichtung zum Ein- und Ausschalten des Energieübertragungsmodules; 2 the schematically illustrated DC / DC converter of a power transmission module with a switching device for switching on and off of the power transmission module;

3 ein aus drei schaltbaren Leistungstransistoren bestehendes Schaltelement zur Übertragung unterschiedlicher Energien über das Energieübertragungsmodul auf das interne Stromversorgungsnetz. 3 a switching element consisting of three switchable power transistors for transmitting different energies via the energy transfer module to the internal power supply network.

In 1 ist mit 1 ein einphasiges internes Stromversorgungsnetz bezeichnet, bei dem es sich beispielsweise um ein Gebäudenetz handelt. Dieses interne Stromversorgungsnetz 1 ist mit einem aus mehreren Batteriezellen 2 bestehenden Energiespeichersystem 3 über ein erfindungsgemäßes Energieübertragungssystem 4 verbunden.In 1 is with 1 refers to a single-phase internal power grid, which is for example a building network. This internal power supply network 1 is with one of several battery cells 2 existing energy storage system 3 via an inventive energy transfer system 4 connected.

Das interne Stromversorgungsnetz 1 ist außerdem mit einem öffentlichen Wechselstromnetz 5 sowie mit einer herkömmlichen Photovoltaikanlage 6 über einen Solarwechselrichter 7 verbunden.The internal power supply network 1 is also available with a public AC power network 5 as well as with a conventional photovoltaic system 6 via a solar inverter 7 connected.

Das Energieübertragungssystem 4 umfasst drei Energieübertragungsmodule 8, die jeweils mit einer (oder mehreren parallel geschalteten) Batteriezelle(n) 2 des Energiespeichersystems 3 und dem Außenleiter L des internen Stromversorgungsnetzes 1 verbindbar sind. Dabei stellt bei diesem Ausführungsbeispiel jedes der drei Energieübertragungsmodule 8 eine maximale Ausgangsleistung von 400 W zur Verfügung, so dass auf das interne Stromversorgungsnetz 1 eine maximale Leistung von 1,2 kW von dem Energiespeichersystem 3 übertragbar ist.The energy transfer system 4 includes three energy transfer modules 8th , each with one (or more parallel) battery cell (s) 2 of the energy storage system 3 and the outer conductor L of the internal power supply network 1 are connectable. In this embodiment, each of the three power transmission modules 8th a maximum output power of 400W available, so that on the internal power grid 1 a maximum power of 1.2 kW from the energy storage system 3 is transferable.

Jedes Energieübertragungsmodul 8 umfasst ein bidirektionales Gleichstromwandlermodul 9 (DC/DC-Modul) mit einem festen Übertragungsverhältnis zur Übertragung der elektrischen Energie der ihr zugeordneten Batteriezelle 2 auf einen Gleichstromzwischenkreis. Dabei wirkt das DC/DC-Modul 9 bei dem Entladevorgang der jeweiligen Batteriezelle 2 als Aufwärtswandler (die Zellenspannung der Batteriezelle 2, die beispielsweise 3 V beträgt, wird z. B. auf eine Zwischenkreisspannung von 60 V transformiert) und beim Laden der Batteriezelle 2 als Abwärtswandler.Each energy transfer module 8th includes a bidirectional DC-DC converter module 9 (DC / DC module) with a fixed transmission ratio for transmitting the electrical energy of the associated battery cell 2 on a DC link. The DC / DC module acts here 9 in the discharge process of the respective battery cell 2 as an up-converter (the cell voltage of the battery cell 2 , which is for example 3 V, is z. B. transformed to an intermediate circuit voltage of 60 V) and when charging the battery cell 2 as a down-converter.

Dem DC/DC-Modul 9 des jeweiligen Energieübertragungsmodules 8 ist jeweils ein bidirektionales Wechselrichtermodul 10 (DC/AC-Modul) nachgeschaltet, so dass die elektrische Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis in eine entsprechende Wechselspannung umgewandelt und in das interne Stromversorgungsnetz 1 eingespeist wird.The DC / DC module 9 of the respective energy transfer module 8th is in each case a bidirectional inverter module 10 Downstream (DC / AC module), so that the electrical energy from the DC link converted into a corresponding AC voltage and into the internal power grid 1 is fed.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die DC/DC-Module 9 der Energieübertragungsmodule 8 eingangsseitig jeweils eine Schalteinrichtung 11 enthalten, die von einer Zentraleinheit 12 in Abhängigkeit von der mit dem internen Stromversorgungsnetz 1 verbundenen Last (nicht dargestellt) anssteuerbar sind.According to the invention, it is now provided that the DC / DC modules 9 the energy transfer modules 8th on the input side each a switching device 11 included by a central processing unit 12 depending on the with the internal power grid 1 connected load (not shown) are anssteuerbar.

In 2 ist ein entsprechendes DC/DC-Modul dargestellt. Dieses Modul besteht aus einem an sich bekannten Gegentaktwandler mit Vollbrückenansteuerung. Erfindungsgemäß werden nun die üblicherweise zur Taktung des Gleichstromes eingangsseitig angeordneten Schaltelemente S1–S4 (in der Regel durch eine Zentraleinheit angesteuerte MOS-Feldeffekttransistoren) auch als Schalteinrichtung 11 zum Ein- und Ausschalten des DC/DC-Wandlers, und damit des gesamten Energieübertragungsmodules 8, herangezogen. Hierzu werden alle Schaltelemente S1–S4 entweder gleichzeitig geöffnet oder geschlossen.In 2 a corresponding DC / DC module is shown. This module consists of a known push-pull converter with full-bridge drive. According to the invention, the switching elements S1-S4 (usually controlled by a central unit), which are usually arranged on the input side for clocking the direct current, are also used as switching devices 11 for switching the DC / DC converter on and off, and thus the entire energy transfer module 8th , used. For this purpose, all switching elements S1-S4 are either opened or closed simultaneously.

Die Zentraleinheit 12 ist mit einem in zwei Richtungen wirkenden Wirkleistungszähler 13 verbunden.The central unit 12 is with a bidirectional active power counter 13 connected.

Soll nun elektrische Energie von dem Energiespeichersystem 3 auf das interne Stromversorgungsnetz 1 übertragen werden, so werden zunächst die Schalteinrichtungen 11 aller Energieübertragungsmodule 8 geöffnet und somit die drei Energieübertragungsmodule deaktiviert. Das Stromversorgungsnetz 1 wird daher (bei abgeschalteter Photovoltaikanlage) zunächst nur mit Energie aus dem öffentlichen Wechselstromnetz 5 versorgt.Should now electrical energy from the energy storage system 3 on the internal power grid 1 be transferred, so first the switching devices 11 of all power transmission modules 8th opened and thus disabled the three power transmission modules. The power supply network 1 is therefore (with the photovoltaic system switched off) initially only with energy from the public AC grid 5 provided.

Der Wirkleistungszähler 13 gibt den Differenzwert zwischen der dem öffentlichen Wechselstromnetz 5 entnommenen Leistung zur Versorgung der Verbraucher (z. B. 700 W) und dem von dem Energiespeichersystem 3 zur Verfügung gestellten Leistung (0 W) an die Zentraleinheit 12 weiter.The active power counter 13 gives the difference value between the public AC grid 5 taken power to supply the consumer (eg 700 W) and that of the energy storage system 3 provided power (0 W) to the central unit 12 further.

Diese erzeugt dann ein erstes Schaltsignal zur Betätigung der Schalteinrichtung 11 und damit zur Aktivierung eines ersten Energieübertragungsmodules 8.This then generates a first switching signal for actuating the switching device 11 and thus to activate a first energy transfer module 8th ,

Dieses Energieübertragungsmodul 8 stellt dann dem internen Stromversorgungsnetz eine Leistung von 400 W zur Verfügung, so dass der Wirkleistungszähler 13 der Zentraleinheit 12 meldet, dass noch eine Differenz von 300 W zur Deckung der mit dem internen Stromversorgungsnetz 1 verbundenen Last erforderlich ist.This energy transfer module 8th then provides the internal power supply network with a power of 400 W, so that the active power counter 13 the central unit 12 reports that there is still a difference of 300W to cover with the internal power grid 1 connected load is required.

Die Zentraleinheit 12 aktiviert daraufhin ein zweites Energieübertragungsmodul 8, welches dann die restliche Leistung in Höhe von 300 W zur Verfügung stellt.The central unit 12 then activates a second energy transfer module 8th , which then provides the remaining power of 300W.

Die mit dem internen Stromversorgungsnetz 1 verbundene Last wird nun ausschließlich von dem Batterienetz 15 mit Strom versorgt, ohne dass das dritte Energieversorgungsmodul 8 aktiviert werden muss und somit die mit diesem Modul verbundenen Batteriezellen 2 jeweils in ihrem geladenen Zustand verbleiben. Die Zentraleinheit 12 bestimmt also mit Hilfe des Wirkleistungszählers 13 jeweils die minimale Anzahl an Energieübertragungsmodulen 8, die ausreichen, um die für die jeweilige Last erforderliche Wirkleistung bereitzustellen.The with the internal power grid 1 Connected load is now exclusively from the battery network 15 powered without the third power supply module 8th must be activated and thus connected to this module battery cells 2 each remain in their charged state. The central unit 12 thus determines with the help of the active power counter 13 each the minimum number of energy transfer modules 8th , which are sufficient to provide the required real power for each load.

Um eine weitere Optimierung der lastabhängigen Energieversorgung durch das Energiespeichersystem 3 vorzunehmen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens ein Energieübertragungsmodul 8 für unterschiedliche Lastbereiche ausgelegt ist.To further optimize the load-dependent energy supply through the energy storage system 3 It has proven to be advantageous if at least one energy transmission module 8th designed for different load ranges.

Dieses erfolgt bei Verwendung des in 2 dargestellten Gegentaktflusswandlers dadurch, dass jedes der vier Schaltelemente S1–S4 aus mehreren, parallel angeordneten, schaltbaren Leistungstransistoren besteht. In 3 ist dieses für das Schaltelement S1 dargestellt, welches aus drei parallel geschalteten Leistungstransistoren S1', S1'' und S1''' besteht.This is done using the in 2 shown Gegentaktflusswandlers characterized in that each of the four switching elements S1-S4 consists of several, arranged in parallel, switchable power transistors. In 3 this is shown for the switching element S1, which consists of three parallel-connected power transistors S1 ', S1''andS1'''.

Bei einem DC/DC-Modul, welches beispielsweise Ströme übertragen muss, die einer Leistung von 500 W entsprechen, müssen bei Verwendung von Halbleiterschaltelementen häufig mehrere, parallel geschaltete Leistungstransistoren S1', S1'' und S1''' verwendet werden oder es müssen aufwendige Schutzschaltungen für das jeweilige Schaltelement vorgesehen werden. Beträgt die zu übertragende Leistung hingegen nur 200 W, so ist der entsprechende Aufwand geringer und die Verlustleistungen sind niedriger.In the case of a DC / DC module which, for example, has to transmit currents which correspond to a power of 500 W, multiple parallel-connected power transistors S1 ', S1' 'and S1' '' often have to be used when using semiconductor switching elements Protective circuits are provided for the respective switching element. On the other hand, if the power to be transmitted is only 200 W, the corresponding effort is lower and the power losses are lower.

Je nach zu übertragender Leistung des Energieübertragungsmodules 8 schaltet daher die Zentraleinheit 12 nur einen Leistungstransistor (geringste zu übertragende Leistung) oder mehrere Leistungstransistoren ein. Dabei wird zunächst von dem größten übertragbaren Leistungswert ausgegangen (alle drei Leistungstransistoren S1', S1'' und S1''' in 3 sind geschlossen) und die tatsächlich zu übertragende Leistung wird am Ausgang des entsprechenden DC/DC-Wandlers gemessen. Entsprechend diesem Messwert werden dann die nicht benötigten weiteren Leistungstransistoren (z. B. S1' und S1'') abgeschaltet.Depending on the power of the energy transmission module to be transmitted 8th switch therefore the central processing unit 12 only one power transistor (lowest power to be transmitted) or more power transistors. It is initially assumed that the largest transferable power value (all three power transistors S1 ', S1''andS1''' in 3 are closed) and the actual power to be transmitted is measured at the output of the corresponding DC / DC converter. In accordance with this measured value, the unneeded additional power transistors (eg S1 'and S1'') are then switched off.

Bei der vorstehend beschriebenen Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems 4 wurde angenommen, dass die Photovoltaikanlage 6 ausgeschaltet ist. Sofern auch diese Anlage im Betrieb ist, so vergleicht der Wirkleistungszähler 13 selbstverständlich nicht nur die aus dem öffentlichen Wechselstromnetz 5 bereitgestellte Leistung mit der von dem Energiespeichersystem 3 über die Energieübertragungsmodule 8 bereitgestellte Leistung, sondern auch mit der zusätzlich zu dem Energiespeichersystem 3 von der Photovoltaikanlage 6 gelieferten Leistung und übermittelt die entsprechenden Differenzwerte dann an die Zentraleinheit 12.In the above-described mode of operation of the energy transmission system according to the invention 4 it was assumed that the photovoltaic system 6 is off. If this system is also in operation, the active power counter compares 13 Of course, not only those from the public AC network 5 provided power with that of the energy storage system 3 via the energy transfer modules 8th provided power, but also with the addition to the energy storage system 3 from the photovoltaic system 6 delivered power and then transmits the corresponding difference values to the central unit 12 ,

Um die Batteriezellen 2 des Energiespeichersystems 3 mittels der ebenfalls mit dem internen Stromversorgungsnetz 1 verbundenen Photovoltaikanlage 6 aufzuladen, ermittelt die Zentraleinheit 12 ebenfalls ständig, oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen, sowohl den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen 2 als auch die mittels der Photovoltaikanlage 6 für das Aufladen der Batteriezellen 2 zur Verfügung stehenden Ladeleistung, und verbindet dann durch Betätigung der Schalteinrichtungen 11 diejenigen Energieübertragungsmodule 8 mit dem internen Stromversorgungsnetz 1, deren zugeordnete Batteriezellen 2 aufgeladen werden müssen.To the battery cells 2 of the energy storage system 3 by means of the same with the internal power supply network 1 connected photovoltaic system 6 charging, determines the central unit 12 also constantly, or at predetermined time intervals, both the state of charge of the individual battery cells 2 as well as by means of the photovoltaic system 6 for charging the battery cells 2 available charging power, and then connects by operating the switching devices 11 those energy transfer modules 8th with the internal power supply network 1 , their associated battery cells 2 have to be charged.

Sofern weniger Ladeleistung von der Photovoltaikanlage 6 für den Ladevorgang zur Verfügung gestellt wird, als dieses zum Laden aller zu ladenden Batteriezellen 2 erforderlich ist, verbindet die Zentraleinheit 12 das interne Stromversorgungsnetz 1 nur mit ausgewählten Energieübertragungsmodulen 8. Diese werden derart gewählt, dass zunächst die bereits entladenen Batteriezellen 2 aufgeladen werden.If less charging power from the photovoltaic system 6 is provided for charging, as this for charging all to be charged battery cells 2 is required, connects the central unit 12 the internal power supply network 1 only with selected energy transfer modules 8th , These are chosen such that initially the already discharged battery cells 2 to be charged.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So umfasst das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem 4 bei einem praktischen Ausführungsbeispiel nicht nur drei, sondern zwanzig Energieübertragungsmodule, die jeweils eine Leistung von 400 W bereitstellen, so dass von dem Energiespeichersystem 3 ca. 8 kW auf das interne Stromversorgungsnetz übertragbar sind.Of course, the invention is not limited to the embodiment described above. Thus, the energy transmission system according to the invention comprises 4 in a practical embodiment, not only three, but twenty power transmission modules, each providing a power of 400W, so from the energy storage system 3 about 8 kW are transferable to the internal power grid.

Ferner muss es sich bei dem internen Stromversorgungsnetz 1 nicht zwingend um ein einphasiges Netz handeln. Vielmehr kann auch ein dreiphasiges internes Stromversorgungsnetz vorgesehen werden, welches mit einem dreiphasigen öffentlichen Wechselstromnetz verbindbar ist. In diesem Fall sind dann mit jedem der drei Außenleiter des internen Stromversorgungsnetzes mehrere Energieübertragungsmodule verbindbar.Furthermore, it must be the internal power supply network 1 not necessarily a single-phase network. Rather, a three-phase internal power supply network can be provided, which can be connected to a three-phase public AC network. In this case, a plurality of energy transfer modules can then be connected to each of the three outer conductors of the internal power supply network.

Außer der vorstehend beschriebenen Ansteuerung der Schalteinrichtungen 11 entsprechend der an dem internen Stromversorgungsnetz 1 befindlichen Last (Verbraucher), hat die Zentraleinheit 12 weitere Aufgaben. So sorgt sie unter anderem dafür, dass im Falle eines netzgeführten Betriebes (d. h., das öffentliche Netz arbeitet störungsfrei und ist mit dem internen Netz verbunden) das aus Energiespeichersystem 3 und den Energieübertragungsmodulen 8 bestehende Batterienetz 15 durch das öffentliche Wechselstromnetz 5 hinsichtlich Phase, Frequenz und Amplitude synchronisiert wird, so dass dem internen Stromversorgungsnetz 1 parallel Energie aus dem öffentlichen Wechselstromnetz 5, dem Batterienetz 15 und der Photovoltaikanlage 6 zuführbar ist.Except the above-described control of the switching devices 11 according to the on the internal power grid 1 located load (consumer), has the central unit 12 further tasks. Among other things, it ensures that, in the case of grid-controlled operation (ie, the public grid operates without interference and is connected to the internal network), it is the energy storage system 3 and the energy transfer modules 8th existing battery network 15 through the public AC network 5 in terms of phase, frequency and amplitude is synchronized, so that the internal power grid 1 parallel energy from the public AC network 5 , the battery network 15 and the photovoltaic system 6 can be fed.

Sofern das interne Stromversorgungsnetz 1 nicht mit dem öffentlichen Wechselstromnetz 5 verbunden ist (insbesondere also bei Stromausfall des öffentlichen Netzes), stellt die Zentraleinheit 12 sicher, dass das Batterienetz 15 als Spannungsquelle dient, wobei im Falle eines dreiphasigen Stromversorgungsnetzes die bereitgestellten Spannungen auf den einzelnen Außenleitern des internen Stromversorgungsnetzes 1 eine Phasenverschiebung von 120° aufweisen.Unless the internal power supply network 1 not with the public AC network 5 is connected (especially so in case of power failure of the public network), the central unit provides 12 sure that the battery network 15 serves as a voltage source, wherein in the case of a three-phase power supply network, the voltages provided on the individual outer conductors of the internal power supply network 1 have a phase shift of 120 °.

Wird das interne Stromversorgungsnetz 1 anschließend wieder mit dem öffentlichen Wechselstromnetz 5 verbunden, weil der Stromausfall behoben ist, bewirkt die Zentraleinheit 12 eine Synchronisierung der Phasen der Spannungen auf den Außenleitern des öffentlichen Wechselstromnetzes 5 und den Außenleitern des mit dem Batterienetz 15 verbundenen internen Stromversorgungsnetzes 1, und das Batterienetz 15 wirkt daher wieder als Stromquelle.Will the internal power grid 1 then again with the public AC network 5 connected because the power failure is resolved causes the central unit 12 a synchronization of the phases of the voltages on the outer conductors of the public AC network 5 and the outer conductors of the battery network 15 connected internal power supply network 1 , and the battery network 15 therefore acts again as a power source.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
internes Stromversorgungsnetzinternal power supply network
22
Batteriezellebattery cell
33
EnergiespeichersystemEnergy storage system
44
EnergieübertragungssystemPower transmission system
55
öffentliches Wechselstromnetzpublic AC network
6 6
Photovoltaikanlage, Anlage zur Erzeugung regenerativer EnergiePhotovoltaic system, plant for the production of regenerative energy
77
SolarwechselrichterSolar inverters
88th
EnergieübertragungsmodulPower transmission module
99
Gleichstromwandlermodul, DC/DC-ModulDC converter module, DC / DC module
1010
Wechselrichtermodul, DC/AC-ModulInverter module, DC / AC module
1111
Schalteinrichtungswitching device
1212
Zentraleinheitcentral processing unit
1313
Wirkleistungsmesseinrichtungen, WirkleistungszählerActive power measuring devices, active power meters
1515
Batterienetzbattery power
LL
Außenleiter (internes Stromversorgungsnetz)Outer conductor (internal power supply network)
L'L '
Außenleiter (öffentliches Netz)External conductor (public network)
S1–S4S1-S4
Schaltelementeswitching elements
S1', S1'', S1'''S1 ', S1' ', S1' ''
Leistungstransistorenpower transistors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 202011003799 U1 [0002] DE 202011003799 U1 [0002]
  • DE 102014012994 [0004, 0007] DE 102014012994 [0004, 0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler [0012] http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler [0012]

Claims (7)

Energieübertragungssystem zur Übertragung elektrischer Energie von einem mehrere Batteriezellen (2) umfassenden Energiespeichersystem (3) auf ein mit Verbrauchern verbindbares internes Stromversorgungsnetz (1), welches mit mindestens einer Wirkleistungsmesseinrichtung (13) zur Ermittlung der über das interne Stromversorgungsnetz (1) übertragenen Wirkleistung gekoppelt ist, mit den Merkmalen: a) das Energieübertragungssystem (4) umfasst mindestens zwei Energieübertragungsmodule (8) sowie eine die Energieübertragungsmodule (8) ansteuernde elektronische Zentraleinheit (12), die mit der Wirkleistungsmesseinrichtung (13) verbindbar ist, b) jedes Energieübertragungsmodul (8) ist mit einer oder mehreren Batteriezelle(n) (2) des Energiespeichersystems (3) verbindbar, wobei im Falle mehrerer Batteriezellen (2) alle dem jeweiligen Energieübertragungsmodul (8) zugeordneten Batteriezellen (2) parallel geschaltet sind; c) die Energieübertragungsmodule (8) umfassen jeweils ein bidirektionales Gleichstromwandlermodul (DC/DC-Modul) (9) zur Übertragung der elektrischen Energie der ihr zugeordneten Batteriezelle(n) (2) auf einen Gleichstromzwischenkreis und ein dem DC/DC-Modul (9) nachgeschaltetes, bidirektionales Wechselrichtermodul (DC/AC-Modul) (10) zur Einspeisung elektrischer Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis in das interne Stromversorgungsnetz (1), und d) die Energieübertragungsmodule (8) umfassen jeweils mindestens eine von der Zentraleinheit (12) ansteuerbare Schalteinrichtung (11), die in Abhängigkeit von der mit dem internen Stromversorgungsnetz (1) verbundenen Last eine Energieübertragung von der(n) dem jeweiligen Energieübertragungsmodul (8) zugeordneten Batteriezelle(n) auf das interne Stromversorgungsnetz (1) ermöglicht oder diese Energieübertragung unterbricht.Energy transfer system for transferring electrical energy from a plurality of battery cells ( 2 ) comprehensive energy storage system ( 3 ) to an internal electricity supply network ( 1 ), which with at least one active power measuring device ( 13 ) for the determination of the internal power grid ( 1 ) is coupled with the features: a) the energy transmission system ( 4 ) comprises at least two energy transfer modules ( 8th ) and one of the energy transfer modules ( 8th ) controlling electronic central unit ( 12 ) with the active power measuring device ( 13 ), b) each energy transfer module ( 8th ) is connected to one or more battery cell (s) ( 2 ) of the energy storage system ( 3 ), wherein in the case of multiple battery cells ( 2 ) all the respective energy transfer module ( 8th ) associated battery cells ( 2 ) are connected in parallel; c) the energy transfer modules ( 8th ) each comprise a bidirectional DC-DC converter module (DC / DC module) ( 9 ) for transmitting the electrical energy of the associated battery cell (s) ( 2 ) to a DC link and a DC / DC module ( 9 ) downstream, bidirectional inverter module (DC / AC module) ( 10 ) for feeding electrical energy from the DC link to the internal power grid ( 1 ), and d) the energy transfer modules ( 8th ) each comprise at least one of the central unit ( 12 ) controllable switching device ( 11 ), depending on the internal power grid ( 1 ) a load transfer from the (n) the respective energy transfer module ( 8th ) associated battery cell (s) on the internal power grid ( 1 ) or interrupt this energy transfer. Energieübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Zentraleinheit (12) ansteuerbare Schalteinrichtung (11) des jeweiligen Energieübertragungsmodules (8) derart angeordnet ist, dass sie das DC/DC-Modul (9) des entsprechenden Energieübertragungsmodules (8) ein- oder ausschaltet.Energy transmission system according to claim 1, characterized in that the information provided by the central unit ( 12 ) controllable switching device ( 11 ) of the respective energy transfer module ( 8th ) is arranged such that it the DC / DC module ( 9 ) of the corresponding energy transfer module ( 8th ) turns on or off. Energieübertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem DC/DC-Modul (9) um einen bidirektionalen Gegentaktflusswandler mit Vollbrückenansteuerung handelt, dessen hochstromseitig angeordnete Schaltelemente (S1–S4) zur Taktung des von der(n) Batteriezelle(n) (2) bereitgestellten Gleichstromes auch als Schalteinrichtung (11) zum An- und Abschalten des DC/DC-Modules (9) verwendet werden.Power transmission system according to claim 2, characterized in that it is in the DC / DC module ( 9 ) is a bidirectional Gegentaktflusswandler with full bridge drive, whose high current side arranged switching elements (S1-S4) for clocking of the (n) battery cell (s) ( 2 ) provided as a switching device ( 11 ) for switching on and off the DC / DC module ( 9 ) be used. Energieübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1–S4) des DC/DC-Modules (9) mindestens eines der Energieübertragungsmodule (8) sich jeweils aus mehreren, parallel angeordneten, schaltbaren Leistungstransistoren (S1', S1'', S1''') zusammensetzen, so dass je nach Zustand dieser Leistungstransistoren (S1', S1'', S1''') unterschiedliche Energien über das entsprechende Energieübertragungsmodul (8) übertragbar sind.Energy transmission system according to claim 3, characterized in that the switching elements (S1-S4) of the DC / DC module ( 9 ) at least one of the energy transfer modules ( 8th ) each composed of a plurality of parallel, switchable power transistors (S1 ', S1'',S1'''), so that depending on the state of these power transistors (S1 ', S1'',S1''') different energies on the corresponding energy transfer module ( 8th ) are transferable. Verfahren zum Betrieb des Energieübertragungssystems nach Anspruch 1 bei der Übertragung von elektrischer Energie von dem Energiespeichersystem (3) auf das interne Stromversorgungsnetz (1), mit den Merkmalen: von der Zentraleinheit (12) wird ständig, oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen, die von dem internen Stromversorgungsnetz (1) für den Betrieb aktiver Verbraucher übertragene Wirkleistung gemessen, aufgrund der gemessenen Wirkleistung bestimmt die Zentraleinheit (12) die minimale Anzahl der Energieübertragungsmodule (8), die ausreichen, um die gemessene Wirkleistung bereitzustellen, und die Zentraleinheit (12) erzeugt anschließend Schaltsignale, welche auf die Schalteinrichtungen (11) der Energieübertragungsmodule (8) wirken, derart, dass nur die Energieübertragungsmodule (8) mit dem internen Stromversorgungsnetz (1) verbunden bleiben, welche für den Betrieb der Verbraucher mindestens erforderlich sind.Method for operating the energy transmission system according to claim 1 in the transmission of electrical energy from the energy storage system ( 3 ) to the internal power grid ( 1 ), with the characteristics: of the central unit ( 12 ) is kept permanently, or at predetermined intervals, by the internal power grid ( 1 ) measured for the operation of active consumers transmitted active power, based on the measured active power determines the central unit ( 12 ) the minimum number of energy transfer modules ( 8th ), which are sufficient to provide the measured active power, and the central unit ( 12 ) subsequently generates switching signals which are transmitted to the switching devices ( 11 ) of the energy transfer modules ( 8th ) such that only the energy transfer modules ( 8th ) with the internal power supply network ( 1 ), which are at least necessary for the operation of the consumer. Verfahren zum Betrieb des Energieübertragungssystems nach Anspruch 1 beim Aufladen der Batteriezellen (2) des Energiespeichersystems (3) mittels mindestens einer ebenfalls mit dem internen Stromversorgungsnetz (1) verbundenen Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie (6), mit den Merkmalen: die Zentraleinheit (12) ermittelt ständig, oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen, sowohl den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen (2) als auch die mittels der Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie (6) für das Aufladen der Batteriezellen (2) zur Verfügung stehenden Ladeleistung, und die Zentraleinheit (12) verbindet dann durch Betätigung der Schalteinrichtungen (11) diejenigen Energieübertragungsmodule (8) mit dem internen Stromversorgungsnetz (1), deren zugeordnete Batteriezellen (2) aufgeladen werden sollen.Method for operating the energy transmission system according to claim 1 during charging of the battery cells ( 2 ) of the energy storage system ( 3 ) by means of at least one also with the internal power grid ( 1 ) connected to regenerative energy production ( 6 ), with the features: the central unit ( 12 ) constantly, or at predetermined intervals, both the state of charge of the individual battery cells ( 2 ) and by means of the regenerative energy plant ( 6 ) for charging the battery cells ( 2 ), and the central unit ( 12 ) then connects by actuation of the switching devices ( 11 ) those energy transfer modules ( 8th ) with the internal power supply network ( 1 ), their associated battery cells ( 2 ) should be charged. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass weniger Ladeleistung von der Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie für den Ladevorgang zur Verfügung gestellt wird, als dieses zum Laden aller zu ladenden Batteriezellen (2) erforderlich ist, verbindet die Zentraleinheit (12) das interne Stromversorgungsnetz (1) zunächst mit denjenigen Batteriezellen über die zugeordneten Energieübertragungsmodule (8), deren Ladezustand am geringsten ist.A method according to claim 6, characterized in that in the event that less charging power is provided by the plant for generating regenerative energy for the charging process, than that for charging all to be charged battery cells ( 2 ), the central unit ( 12 ) the internal power supply network ( 1 ) first with those battery cells on the associated energy transfer modules ( 8th ), the state of charge is the lowest.
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