-
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung für ein elektrisches Wechselspannungsnetz. An das Wechselspannungsnetz können elektrische Verbraucher und/oder regenerative Energiequellen angeschlossen sein. Mittels der Energiespeichervorrichtung kann Energie für das Wechselspannungsnetz gespeichert und kontrolliert abgegeben werden. Zum Speichern der Energie sind mehrere Speicherelemente, beispielsweise Batterien, bereitgestellt.
-
Eine Energiespeichervorrichtung der genannten Art ist beispielsweise aus der
US 2014/0346873 A1 bekannt. Die darin beschriebene Energiespeichervorrichtung kann mehrere Batterien aufweisen, die einzeln oder gemeinsam mit einem Anschluss zum Anschließen der Energiespeichervorrichtung mit einem Wechselspannungsnetz verbunden werden können. Falls eine Batterie entladen ist, wird sie durch einen Hot-Swap-Controller mit einer geladenen Ersatzbatterie parallel geschaltet und dann die entladene Batterie abgetrennt. Hierdurch ist ein kontinuierlicher Energiefluss aus der Energiespeichervorrichtung in das Wechselspannungsnetz möglich.
-
Nachteilig bei dieser Art der Verschaltung ist, dass Ausgleichsströme zwischen den Batterien fließen können, da die geladene Ersatzbatterie stets noch eine größere Gleichspannung als die entladene Batterie erzeugt. Um beim Parallelschalten zweier Batterien einen solchen Ausgleichsstrom zu verhindern, ist jede einzelne Batterie über einen Gleichspannungswandler oder DC-DC-Wandler mit dem Rest der Energiespeichervorrichtung verschaltet. Dies macht die Energiespeichervorrichtung in der Herstellung bauteil- und damit kostenintensiv.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein stationäres Wechselspannungsnetz eine Energiespeichervorrichtung zum Speichern von Energie bereitzustellen.
-
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
-
Durch die Erfindung ist eine Energiespeichervorrichtung zum Speichern von Energie für ein stationäres, zumindest einen Verbraucher und/oder zumindest eine regenerative Energiequelle aufweisendes elektrisches Wechselspannungsnetz. Bei dem Wechselspannungsnetz kann es sich beispielsweise um dasjenige eines Haushalts oder eines Industriegebäudes oder eines öffentlichen Gebäudes, beispielsweise eines Parkhauses, handeln. Die Energiespeichervorrichtung weist eine zentrale Steuereinrichtung und zumindest zwei Schaltungseinheiten auf. Jede Schaltungseinheit ist dabei in folgender Weise ausgestaltet. Die Schaltungseinheit weist jeweils mehrere Speicherelemente zum Speichern eines Teils der Energie auf. Zum Austauschen der Energie mit dem Wechselspannungsnetz weist die Schaltungseinheit einen Umsetzer auf. Eine andere Bezeichnung für Umsetzer ist auch aktiver Stromrichter oder AC-DC-Wandler. Der Umsetzer weist einen Wechselspannungsanschluss zum Anschließen an das Wechselspannungsnetz auf. Des Weiteren weist er einen Gleichspannungsanschluss auf. Mit diesem Gleichspannungsanschluss sind die Speicherelemente der Schaltungseinheit gekoppelt. Hierbei ist eine Multiplexer-Schalteinrichtung bereitgestellt, die mit dem Gleichspannungsanschluss des Umsetzers sowie mit einem der Speicherelemente über jeweils einen Speicheranschluss elektrisch verbunden ist. Hierbei ist jeweils nur ein Speicherelement mit jeweils einem der Speicheranschlüsse der Multiplexer-Schalteinrichtung verbunden. Die Multiplexer-Schalteinrichtung ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einem Auswahlsignal der Steuereinrichtung einen der Speicheranschlüsse auszuwählen und nur den ausgewählten Speicheranschluss mit dem Gleichspannungsanschluss des Umsetzers elektrisch zu verbinden. Mit anderen Worten ist über die Multiplexer-Schalteinrichtung der Gleichspannungsanschluss des Umsetzers zu jedem Zeitpunkt höchstens mit einem einzigen Speicherelement verbunden. Obwohl mindestens zwei Schaltungseinheiten bereitgestellt sind, kann zwischen einem Speicherelement einer der Schaltungseinheiten und einem Speicherelement einer anderen Schaltungseinheit kein ungewollter Ausgleichsstrom fließen, weil diese beiden Schaltungseinheiten zwar über das Wechselspannungsnetz miteinander verbunden sind, hierbei aber zwei Umsetzer den Ausgleichsstrom steuern oder blockieren können.
-
Um mittels der Energiespeichervorrichtung zwischen den Speicherelementen durch Umschalten der Multiplexer-Schalteinrichtung wechseln zu können, ohne dass es hierbei zu einer Schwankung des zwischen der Energiespeichervorrichtung und dem Wechselspannungsnetz ausgetauschten Energieflusses kommt, ist die Steuereinrichtung des Weiteren dazu ausgelegt, durch Ansteuern des jeweiligen Umsetzers der zumindest zwei Schaltungseinheiten graduell einen Energiefluss zwischen dem Wechselspannungsnetz und einer ersten der Schaltungseinheiten zu reduzieren und im selben Maße einen Energiefluss zwischen dem Wechselspannungsnetz und zumindest einer zweiten der Schaltungseinheiten zu vergrößern, so lange bis der Energiefluss der ersten Schaltungseinheit zu Null reduziert ist. Mit anderen Worten wird der Energiefluss von der ersten Schaltungseinheit hin zu zumindest einer anderen Schaltungseinheit übergeblendet. Hierdurch ergibt sich im Wechselspannungsnetz keine Unterbrechung oder Veränderung des insgesamt zwischen der Energiespeichervorrichtung und dem Wechselspannungsnetz ausgetauschten Gesamtenergieflusses. Zum Erfassen des Energieflusses können in an sich bekannter Weise Sensoreinrichtungen vorgesehen sein, die beispielsweise in dem Umsetzer bereitgestellt sein können. Beispielsweise kann die aktuell über alle Umsetzer geführte oder austauschte elektrische Summenleistung erfasst werden und dann die Summenleistung konstant gehalten werden, während beim Umsetzer der ersten Schaltungseinheit die elektrische Leistung graduell reduziert wird.
-
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Energiespeichervorrichtung ohne zusätzliche DC-DC-Wandler ein Auswechseln oder Umschalten derjenigen Speicherelemente, die momentan mit dem Wechselspannungsnetz elektrisch verbunden sind, unterbrechungsfrei ermöglicht. Es ergibt sich ein Fade-in und ein Fade-out auf der Grundlage zumindest zweier Schaltungseinheiten.
-
Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
-
Nach der Reduktion des Energieflusses zu Null in der ersten Schaltungseinheit ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Steuereinrichtung mittels des Auswahlsignals in der ersten Schaltungseinheit ein anderes Speicherelement auswählt. Hierdurch steht dann die erste Schaltungseinheit wieder für eine Energieabgabe oder Energieaufnahme bereit. Eine Energieaufnahme stellt sie dann bereit, wenn ein entladenes oder leeres Speicherelement ausgewählt wird und mittels der Energiespeichervorrichtung Energie gespeichert werden soll, beispielsweise aus einer regenerativen Energiequelle, die an das Wechselspannungsnetz angeschlossen sein kann, oder aus einem Versorgungsnetz, um für ein zukünftiges Zeitintervall elektrische Energie mittels der Energiespeichervorrichtung abgeben zu können.
-
Gemäß einer Weiterbildung findet in jeder Schaltungseinheit die Auswahl desjenigen Speicherelements, das mit dem Umsetzer elektrisch verbunden werden soll, auf der Grundlage eines Verschleißkriteriums statt. Jedes Speicherelement weist hierzu eine Überwachungseinrichtung zum Ermitteln von jeweiligen Betriebszustandsdaten des Speicherelements auf. Falls als Speicherelement Fahrzeugbatterien genutzt werden, kann hierzu beispielsweise das in solchen Fahrzeugbatterien integrierte Batteriemanagementsystem, BMS, als Überwachungseinrichtung genutzt werden. Dann ist keine zusätzliche Sensorik nötig. Die Steuereinrichtung der Energiespeichervorrichtung ist dazu ausgelegt, das Auswahlsignal in Abhängigkeit von den Betriebszustandsdaten aller Speicherelemente derart zu erzeugen, dass ein Verschleißkriterium für alle Speicherelemente erfüllt wird. Durch die permanente Überwachung der Speicherelemente, insbesondere von Fahrzeugbatterien, mithilfe der Überwachungseinrichtungen und der übergeordneten Steuereinrichtung kann als Verschleißkriterium eine gleichmäßige Alterung aller Speicherelemente vorgesehen werden, so dass beispielsweise Speicherelemente, welcher neuer sind, häufiger geladen/entladen werden als ältere Speicherelemente. Das Verschleißkriterium kann auch beispielsweise ein Schaltmuster für die Multiplexer-Schalteinrichtungen vorsehen, um hierdurch einen schonenden Betrieb oder ein kontrolliertes Altern oder einen gleichmäßigen Betrieb der Speicherelemente zu realisieren. Das Verschleißkriterium kann auch eine Kombination mehrerer der genannten Kriterien umfassen.
-
In Bezug auf die Betriebszustandsdaten sieht eine Weiterbildung vor, dass diese zumindest eine der folgenden Zustandsgrößen des jeweiligen Speicherelements umfassen: ein Alter, einen Verschleiß, eine Zyklusanzahl von Lade- und Entladevorgängen, einen Ladezustand, eine Restkapazität und/oder eine Temperatur. Die Steuereinrichtung kann hierdurch einen optimalen Betriebspunkt des jeweiligen Speicherelements ermitteln. Anhand der bekannten Restkapazitäten/Ladezustände können die Speicherelemente, insbesondere Fahrzeugbatterien, individuell und abhängig vorn aktuellen Betriebspunkt, wie er durch die Betriebsdaten beschrieben ist, zu- und abgeschaltet werden. Anhand der aktuellen Betriebsdaten wird durch die Steuereinrichtung permanent der aktuelle Energiezustand der Speicherelemente individuell überwacht und analysiert. Hierdurch kann auf Grundlage des Verschleißkriteriums immer dasjenige Speicherelement zugeschaltet werden, welches von den Randbedingungen am besten geeignet ist. Zu den Randbedingungen zählen die durch die Betriebsdaten angegebene Alterung, der Ladezustand, die Restkapazität und/oder die Temperatur des Speicherelements.
-
Bevorzugt werden auch äußere Randbedingungen berücksichtigt. Hierzu sieht eine Weiterbildung vor, dass eine Empfangseinrichtung zum Empfangen von Umweltdaten, insbesondere externer Netzparameter und/oder Wetterdaten, bereitgestellt ist und die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, das Auswahlsignal in Abhängigkeit von den Umweltdaten zu erzeugen und hierbei eine bevorstehende Verfügbarkeit einer regenerativen Energie zu berücksichtigen und/oder einen bevorstehenden Ausfall einer regenerativen Energie zu kompensieren. Beispielsweise kann das Aufkommen oder Abflauen von Wind durch die Umweltdaten beschrieben sein. Es kann auch beispielsweise die Tageszeit und/oder die Sonnenaufgangszeit und/oder Sonnenuntergangszeit angegeben sein.
-
Gemäß einer Weiterbildung wird auch die aktuelle Lastanforderung berücksichtigt. Die Weiterbildung sieht vor, dass ein Netzanschluss zum Anschließen eines elektrischen Versorgungsnetzes über eine Erfassungseinrichtung mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist. Das elektrische Versorgungsnetz kann ein öffentliches Versorgungsnetz sein, das beispielsweise leistungsstarke Energiequellen, wie beispielsweise ein Atomkraftwerk oder Kohlekraftwerk, umfassen kann. Die Erfassungseinrichtung, über welche das Wechselspannungsnetz mit dem Netzanschluss gekoppelt ist, ist dazu ausgelegt, zumindest eine elektrische Größe zu einer zwischen dem Versorgungsnetz und dem Wechselspannungsnetz ausgetauschten elektrischen Fremdenergie zu ermitteln. Es wird also auf Grundlage der zumindest einen erfassten elektrischen Größe beschrieben, ob Energie oder Leistung in das Wechselspannungsnetz hineinfließt oder aus dem Wechselspannungsnetz zurück in das Versorgungsnetz fließt, weil beispielsweise aufgrund von regenerativen Energiequellen ein Energieüberschuss vorliegt. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, den jeweiligen Umsetzer jeder Schaltungseinheit in Abhängigkeit von der zumindest einen elektrischen Größe derart anzusteuern, dass eine Bilanz der ausgetauschten Fremdenergie ein vorgegebenes Minimierungskriterium erfüllt. Das Minimierungskriterium kann beispielsweise besagen, dass die ins Wechselspannungsnetz eingetragene oder übertragene Fremdenergie minimiert oder zu Null minimiert werden soll. Es kann auch vorgesehen sein, als Minimierungskriterium eine negative Energiebilanz vorzusehen und möglichst viel Eigenenergie in das Versorgungsnetz zu übertragen, also „negative Fremdenergie” oder Eigenenergie zu übertragen.
-
Als elektrische Größen können beispielsweise erfasst werden: eine Wirkleistung, eine Blindleistung, eine Scheinleistung, ein Leistungsfaktor cos φ, Phasenströme einer Drehstromleitung, elektrische Spannungen der Phasenleitungen. Hieraus lässt sich die Energieflussrichtung der ausgetauschten Energie bestimmen, ob also Fremdenergie bezogen wird oder Eigenenergie in das Versorgungsnetz eingespeist wird.
-
Bei der Energiespeichervorrichtung ist bevorzugt auch vorgesehen, dass die Speicherelemente technisch unterschiedlich ausgestaltet sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei Speicherelemente eine unterschiedliche Gleichspannung erzeugen. Dies kann auch der Fall sein, wenn gleichartige Speicherelemente einen unterschiedlichen Ladezustand aufweisen. Für diesen Fall ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, bei einem Spannungsregler des Umsetzers einen Sollspannungswert in Abhängigkeit von den Betriebszustandsdaten des an dem ausgewählten Speicheranschluss angeschlossenen Speicherelements einzustellen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass beim Umschalten der Multiplexer-Schalteinrichtung kein unerwünscht großer Entlade- oder Ladestrom aufgrund einer Spannungsdifferenz zwischen dem Speicheranschluss einerseits und dem Speicherelement andererseits verursacht wird.
-
Zum Realisieren der Multiplexer-Schalteinrichtung sieht eine Weiterbildung vor, dass jede Multiplexer-Schalteinrichtung jeweils zum Auswählen des Speicherelements zumindest einen mechanischen Schalter und/oder zumindest einen Transistor aufweist. Als mechanischer Leistungsschalter kann ein Schütz oder Relais bereitgestellt sein. Als Transistor kann beispielsweise ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder ein Power-MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) vorgesehen sein.
-
Zum Bereitstellen eines Speicherelements können aufgrund der flexiblen Betriebsweise des Umsetzers und durch die Trennung der Speicherelemente mittels der Multiplexer-Schalteinrichtung unterschiedliche Speichertechnologien kombiniert werden. Es können Hochvolt-Batteriesysteme, auch gebrauchte Batteriesysteme, und auch andere elektrische Energiespeichersysteme, wie ein Doppelschichtkondensator, eine Brennstoffzelle, ein elektrischer Schwungmassenspeicher oder ein Notstromaggregat zum Einsatz gebracht werden. Hierbei ist bei einem Notstromaggregat als Speicher auch ein Kraftstoffspeicher zum Speichern von chemischer Energie gemeint.
-
Um insbesondere gebrauchte oder neue Hochvoltbatterien aus einem Kraftfahrzeug verwenden zu können, sieht eine Weiterbildung vor, dass zumindest ein Kommunikationsbus zum Anschließen einer batterieinternen Batteriesteuereinheit, also eines Batteriemanagementsystems, einer Fahrzeug-Hochvoltbatterie bereitgestellt ist. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, über den Kommunikationsbus an der Batteriesteuereinheit eine Restbussimulation durchzuführen, wobei die Restbussimulation eine Kommunikation mit zumindest einem simulierten Steuergerät eines Kraftfahrzeugs umfasst. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Betriebssoftware der Hochvoltbatterie nicht angepasst werden muss, wenn die Hochvoltbatterie aus einem Kraftfahrzeug ausgebaut wird und mit einem Speicheranschluss einer der Multiplexer-Schalteinrichtungen verschaltet wird. Denn damit eine Hochvoltbatterie bereit ist, Energie aufzunehmen (laden) beziehungsweise abzugeben (entladen) müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. Insbesondere muss die Hochvoltbatterie Steuergeräte (beispielsweise eine Leistungselektronik, einen elektronischen Stabilitätscontroller, ESC, ein Antiblockiersystem, ABS) über den Kommunikationsbus ansprechen und/oder empfangen können. Da in der Energiespeichervorrichtung solche Steuergeräte nicht bereitgestellt sind, kann durch die Restbussimulation jedes benötigte Steuergerät simuliert werden, so dass die Hochvoltbatterie weiterhin betrieben werden kann, als sei sie in einem Kraftfahrzeug eingebaut.
-
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt die einzige Figur (Fig.) eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung.
-
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform 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 ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
Die Figur zeigt eine Energiespeichervorrichtung 1, die beispielsweise in einem Haushalt oder in einem Wohnblock oder in einem Industriegebäude oder auf einem Werksgelände oder in einem Parkhaus oder einen anderen öffentlichen Gebäude bereitgestellt sein kann. Des Weiteren sind dargestellt elektrische Verbraucher und/oder Energiequellen (repräsentiert durch ein einzelnes Element 2), die mittels der Energiespeichervorrichtung 1 versorgt werden sollen, wobei die Versorgung sowohl das Bereitstellen von Energie als auch das Aufnehmen von überschüssiger Energie umfasst. Des Weiteren ist ein öffentliches Versorgungsnetz 3 dargestellt, bei dem es sich beispielsweise um ein Mittelspannungs-Versorgungsnetz (20-kV-Netz), handeln kann. Des Weiteren ist eine externe Datenquelle 4 dargestellt, bei der es sich beispielsweise um einen Datenserver oder mehrere Datenserver des Internets handeln kann. Die Datenquelle 4 kann auch zusätzlich oder alternativ eine Wetterstation umfassen.
-
Die Energiespeichervorrichtung 1 ist mit den Verbrauchern und/oder Energiequellen 2 über ein elektrisches Wechselspannungsnetz 5 verbunden, in dem beispielsweise eine 230-V-Wechselspannung/400-V-Wechselspannung bereitgestellt sein kann. Das Versorgungsnetz 3 kann über einen Transformator 6 an einen Netzanschluss 7 der Energiespeichervorrichtung 1 angeschlossen sein. Eine Empfangseinrichtung 8 kann Umweltdaten 9 aus der Datenquelle 4 empfangen. Die Empfangseinrichtung 8 kann hierzu beispielsweise eine Internetverbindung in an sich bekannter Weise zu der Datenquelle 4 bereitstellen.
-
Die Energiespeichervorrichtung 1 weist eine zentrale Steuereinrichtung 10, mehrere Schaltungseinheiten 11, 12 und eine Erfassungseinrichtung 13 auf. Die Steuereinrichtung 10 kann beispielsweise durch eine Prozessoreinrichtung bereitgestellt sein. Die Prozessoreinrichtung kann beispielsweise einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller aufweisen. Anstelle der gezeigten zwei Schaltungseinheiten 11, 12 können auch weitere Schaltungseinheiten bereitgestellt sein, wie dies durch Ergänzungssymbole 14 angedeutet ist.
-
Jede Schaltungseinheit 11, 12 weist jeweils einen Umsetzer 15, eine Multiplexer-Schalteinrichtung 16 und mehrere Speicherelemente 17 auf. Anstelle der jeweils drei gezeigten Speicherelemente 17 kann jede Schaltungseinheit 11, 12 auch nur zwei Speicherelemente oder mehr als drei Speicherelemente aufweisen. Dies ist in der Figur durch Ergänzungssymbole 18 veranschaulicht. Jeder Umsetzer 15 weist einen Wechselspannungsanschluss 19 auf, über welchen er an das Wechselspannungsnetz 5 angeschlossen ist. Die Multiplexer-Schalteinrichtung 16 ist an einen Gleichspannungsanschluss 20 des Umsetzers 15 angeschlossen. Die Multiplexer-Schalteinrichtung 16 kann den Gleichspannungsanschluss 20 mit jeweils einem von mehreren Speicheranschlüssen 21 in Abhängigkeit von einem Auswahlsignal 22 der Steuereinrichtung 10 elektrisch verbinden. Hierdurch kann der Umsetzer elektrische Energie zwischen dem Wechselspannungsnetz 4 und dem verbundenen oder angeschlossenen Speicherelement 17 austauschen.
-
Jedes Speicherelement 17 weist eine Überwachungseinrichtung 23 auf, die Betriebszustandsdaten des jeweiligen Speicherelements 17 erfasst. Die Betriebszustandsdaten können beispielsweise das Alter, einen Verschleißzustand (SOH – State of Health), eine Zyklusanzahl von durchgeführten Ladezyklen und/oder Entladezyklen, einen aktuellen Ladezustand (SOC – State of Charge), eine Restkapazität oder Restspeicherkapazität und/oder eine Temperatur umfassen. Die Überwachungseinrichtung 23 einer Schaltungseinheit 11, 12 können jeweils über einen Kommunikationsbus 24 mit der Steuereinrichtung 10 gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung 10 kann hierdurch Betriebszustandsdaten 25 auslesen oder empfangen. Bei dem Kommunikationsbus 24 kann es sich jeweils beispielsweise um einen CAN-Bus (Controller Area Network) handeln. Falls es sich bei dem Speicherelement 17 um eine Fahrzeugbatterie handelt, kann über den Kommunikationsbus 24 durch die Steuereinrichtung 10 auch eine Restbussimulation 26 durchgeführt werden, welche die bereits beschriebene Kommunikation zwischen Steuergeräten eines Kraftfahrzeugs und dem Speicherelement 17 simuliert.
-
Durch die Erfassungseinrichtung 13 können elektrische Größen 27 erfasst werden, die ebenfalls an die Steuereinrichtung 10 übertragen werden können. Die elektrischen Größen 27 beschreiben den Austausch eines elektrischen Stromes oder allgemein einer elektrischen Energie 28. Bei einem positiven Wert der Energie 28 handelt es sich um Fremdenergie, die aus dem Versorgungsnetz 3 in das Wechselspannungsnetz 5 übertragen wird. Bei einem negativen Wert der Energie 28 handelt es sich um eine überschüssige Energie oder Eigenenergie, die aus dem Wechselspannungsnetz 5 in das Versorgungsnetz 3 übertragen wird.
-
Die Energiespeichervorrichtung 1 umfasst somit mindestens zwei (bevorzugt bidirektionale) Wechselrichter, das heißt Umsetzer. Durch sie erfolgt die Anpassung und/oder Synchronisation mit dem Wechselspannungsnetz 5 einerseits und der Gleichspannung der Speicherelemente 17 andererseits, indem Energie gezielt durch Einstellen von Spannungspegeln und/oder Wechselspannungsphasen transferiert wird. Indem jeweils nur ein Speicherelement 17 mit dem jeweiligen Umsetzer gekoppelt ist, ergibt sich automatisch eine galvanische Trennung zwischen den Speicherelementen 17 jeder Schaltungseinheit 11, 12.
-
Des Weiteren ist die Erfassungseinrichtung 13 als Netzanalysator vorgesehen, die Informationen über die aktuellen Energieflüsse in das System hinein und aus dem System heraus als elektrische Größen 27 liefert, also beispielsweise eine Wirkleistung P, eine Blindleistung Q, eine Scheinleistung S, einen Leistungsfaktor cos φ, Phasenströme IL1, IL2, IL3, UL1, UL2, UL3.
-
Des Weiteren sind Energiespeicher beliebiger Anzahl als Speicherelemente 17 vorgesehen, die die Aufnahme und Abgabe von Energie für eine Energiezwischenspeicherung ermöglichen. Bevorzugt kann es sich hierbei um gebrauchte Energiespeicher, also sogenannte 2nd-Life-Energiespeichersysteme, handeln.
-
Schließlich sind mindestens zwei Multiplexer-Schaltungseinheiten vorgesehen, die als Leistungsübertrager oder Leistungskoppler fungieren. Sie stellen das Verbindungsglied zwischen den Energiespeichern und jeweils einem der Umsetzer dar. Sie werden von der Steuereinrichtung 10 geschaltet. Es ist immer nur ein Energiespeicher mit dem Umsetzer verbunden. Es sind mindestens zwei elektrisch unabhängige Multiplexer-Schaltungseinheiten benötigt. Damit ist es möglich, auch unter externer Lastanforderung die Energiespeicher umzuschalten. Leistungsschwankungen auf der Primärseite im Wechselspannungsnetz 5 während des Umschaltvorgangs werden vermieden. Durch ein solches Überblenden zwischen dem Speicherelement einer Schaltungseinheit zu einem Speicherelement 17 einer anderen Speichereinheit 12, lässt sich das genutzte Speicherelement 17 tauschen oder wechseln, ohne dass hierdurch eine Unterbrechung des Betriebs der Energiespeichervorrichtung 1 nötig ist.
-
Für eine elektrische Energiespeichervorrichtung ist es oft erforderlich, sehr hohe Energiemengen speichern zu können, obwohl der eigentliche Energieaustausch mit einer verhältnismäßig geringen Leistung stattfindet. Beispiel für eine derartige Energiespeichervorrichtung 1 ist eine solche für eine Photovoltaikanlage. Hier kann das Verhältnis aus Leistung zu Energie beispielsweise 1 zu 10 oder 1 zu 100 betragen. Gelöst wird diese Anforderung durch die Energiespeichervorrichtung 1, die eine Vielzahl von Speicherelementen 17 in Zeitmultiplex betreibt. Hierzu sind die Multiplexer-Schalteinrichtungen 16 vorgesehen. Über die Multiplexer-Schalteinrichtungen 16 wird immer genau ein Speicherelement 17 mit der Leistungselektronik-Stromversorgung zum bidirektionalen Energieaustausch (laden/entladen), also mit einem Umsetzer 15, verbunden. Die übergeordnete Steuereinrichtung 10 übernimmt die Ansteuerung der Multiplexer-Schalteinrichtungen 16.
-
Die Steuereinrichtung 10 führt das Steuern/Regeln des Energieaustauschs zwischen den Schaltungseinheiten 11, 12 und dem Wechselspannungsnetz 5 insbesondere derart durch, dass eine Regelung der Energie 28 vorgesehen ist, die zwischen dem Wechselspannungsnetz 5 und dem Versorgungsnetz 3 ausgetauscht wird. Hierfür können die elektrischen Größen 27 als Daten von der Erfassungseinrichtung 13 erfasst oder zugrundegelegt werden. Anhand dieser Daten werden dann die Multiplexer-Schaltungseinrichtungen 16 und die Umsetzer 15 gesteuert. Die Steuerung/Regelung überwacht den aktuellen Energiefluss ins System und aus dem System heraus sowie den aktuellen Zustand der Energiespeichersysteme, also der Speicherelemente 17. Des Weiteren erfolgt durch die Steuerung/Regelung das Schalten der Multiplexer-Schaltungseinrichtungen 16, damit das für den aktuellen Lastpfad am besten geeignete Speicherelement 17 ausgewählt wird.
-
Um Schwankungen in der Energie- oder Leistungsabgabe/-aufnahme während des Umschaltens von Multiplexer-Schalteinrichtungen 16 zu verhindern, ist in der Steuerung/Regelung das beschriebene Fade-in-Fade-out-Verfahren hinterlegt. Dieses sorgt dafür, dass eine Multiplexer-Schalteinrichtung zunächst lastfrei schaltet, also die von dem angeschlossenen Umsetzer 15 erzeugte Wechselspannung die gleiche Amplitude und die gleiche Phase wie die im Wechselspannungsnetz 5 vorhandene Wechselspannung aufweist. Erst danach wird die zwischen dem Wechselspannungsnetz 5 und dem Umsetzer 15 ausgetauschte Leistung in Rampenform an den Zielwert herangefahren. Zielwert ist dabei diejenige Leistung, die zuvor von einem anderen Umsetzer 15 mit dem Wechselspannungsnetz 5 ausgetauschte Leistung.
-
Parallel wird mittels dieses Umsetzers der Wert der ausgetauschten elektrischen Leistung reduziert. Hierzu wird das aktuelle Speicherelement 17 überwacht und dessen Leistungsabgabe/-aufnahme an die Gesamtleistungsanforderung angepasst. Ist der zweite Energiespeicher vollständig zugeschaltet und dessen Leistung auf dem Zielwert, so kann die Leistungsabgabe/-aufnahme des ersten Energiespeichers in Rampenform komplett heruntergefahren werden. Erst wenn die Leistung komplett heruntergefahren ist, also kein Leistungsaustausch mehr zum Wechselspannungsnetz 5 stattfindet, trennt die Multiplexer-Schaltungseinrichtung den ersten Energiespeicher und verbindet sich mit dem nächsten. Hierdurch sind die Umschaltvorgänge in den Multiplexer-Schalteinrichtungen 16 spannungsfrei. Dies verhindert insbesondere eine Lichtbogenbildung.
-
Damit erfolgt eine Energieunterbrechung beim Umschalten von einem Speicherelement auf das nächste ohne Unterbrechung. Dazu kann zum Beispiel mindestens eine zweite Multiplexer-Schalteinrichtung parallel zur ersten Multiplexer-Schalteinrichtung 16 bereits einen Wechsel im laufenden Betrieb vollziehen und vorerst noch keine Energieabgabe beziehungsweise Energieaufnahme zulassen. Im nächsten Schritt wird der erste Energiespeicher langsam vom Netz genommen, das heißt der Stromfluss kontinuierlich reduziert und gleichzeitig der zweite Energiespeicher ans Netz geschaltet. Zur Erhöhung der Gesamtleistung empfiehlt es sich, entsprechend viele Multiplexer-Schalteinrichtungen 16 parallel zu betreiben, wobei hier insbesondere das n plus 1 Prinzip gilt, also stets eine zusätzliche Schaltungseinheit 11, 12 vorgesehen ist, um das beschriebene Fade-in-Fade-out-Verfahren durchführen zu können.
-
Über den Netzanalysator werden in der beschriebenen Weise die Lastanforderungen des Wechselspannungsnetzes 5 direkt ermittelt und entsprechend an die Steuereinrichtung 10 weitergeleitet. Zudem können als Umweltdaten 9 externe Netzparameter, wie beispielsweise eine bedarfsgerechte Stromregelung oder Netzstabilisierungsanforderung von Energieversorgungsunternehmen, abhängig vom aktuellen Energiebedarf bei der Steuereinrichtung 10 in die beschriebene Steuerung einfließen. Netzstabilisierungsanforderungen können sich beispielsweise bei einem Windpark ergeben, wenn aufgrund von auffrischendem oder abflauendem Wind dessen erzeugte elektrische Leistung schwankt. Als weitere Umweltdaten 9 kann von einer Wetterdatenbank eine Voraussicht (Forecast) hinsichtlich Wetterverhältnissen (Sonnenschein, Wind, Sturm, Schneefall, Temperaturänderungen) vorgesehen sein und dadurch Last- und Speicherbedarf, also die Lastanforderung, adaptiv an die Umweltdaten 9 angepasst werden.
-
An die beschriebenen Multiplexer-Schalteinrichtungen 16 können viele Speicherelemente angeschlossen sein. Insbesondere im Zusammenhang mit gebrauchten Hochvoltbatterien von Kraftfahrzeugen als Speicherelemente 17 ergeben sich die Möglichkeiten, komplette Fahrzeugbatterien in einem Energiespeichersystem ohne Anpassung an Hardware und Software zu nutzen. Die Batteriesysteme können direkt vom Kraftfahrzeug als Speicherelemente in die Energiespeichervorrichtung 1 eingebaut werden. Je nach Verdrahtung der Hochvoltbatterien können diese parallel, in Reihe oder als Kombination aus den beiden Varianten betrieben werden. Eine solche Verschaltung ergibt dann jeweils ein Speicherelement 17. Damit kann eine Hochvoltbatterie universell an die Anforderungen/Gegebenheiten angepasst werden. Zusätzlich erhöht sich die Gesamtkapazität des Speicherelements 17. Anstelle der beschriebenen Hochvoltbatterien können in einem Speicherelement 17 auch andere der bereits beschriebenen Energiespeicher oder auch Energiequellen in Form von Notstromaggregaten enthalten sein.
-
Weitere Vorteile sind die Modularität, Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit, um eine beliebige Anzahl an Speicherelementen 17. Begrenzende Faktoren sind lediglich die Anzahl der Anschlüsse der Multiplexer-Schalteinrichtungen 16, der notwendige Verkabelungsaufwand und die Anzahl an verfügbaren Umsetzern. Natürlich können auch neue Hochvoltbatterien als elektrische Energiespeicher eingesetzt werden.
-
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein (2nd-Life-)Multiplex-Energiespeichersystem bereitgestellt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2014/0346873 A1 [0002]
