DE102015109168A1

DE102015109168A1 - Batteriesystem für ein elektrisches Gebäudeenergieversorgungsnetz und Verfahren zur Überprüfung eines elektrischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102015109168A1
Application number: DE102015109168.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Geiger; Norbert Baumann
Original assignee: Sonnen GmbH
Current assignee: Sonnen GmbH
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2016-12-15
Also published as: WO2016198045A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein elektrisches Gebäudeenergieversorgungsnetz (GV) das Batteriesystem aufweisend: – einen elektrischen Energiespeicher in Form einer Mehrzahl parallel geschalteter elektrischer Batterien (4), – ein Batteriemanagementsystem (5) zur individuellen Überwachung und Symmetrisierung eines Ladezustands jeder elektrischen Batterie (4) und – eine Wechselrichtereinheit (2) mit einem Anschluss an das Gebäudeenergieversorgungsnetz (GV) und einem Anschluss an den elektrischen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem eine Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) aufweist, die ausgebildet und eingerichtet ist, als Istwert mindestens einen Messwert elektrischer Parameter des Energiespeichers insbesondere in Form zeitlich aufgelöster Gleichstrom- und/oder Gleichspannungswerte des Energiespeichers zu erfassen und/oder den Istwert mittels mehrerer erfasster Messwerte elektrischer Parameter des Energiespeichers zu berechnen und anhand vom Batteriemanagementsystem (5) ermittelter Daten über die Mehrzahl der überwachten Batterien einen Erwartungswert des Ladezustands der Batterien (4) und/oder einen Erwartungswert des mindestens einen Messwertes zu berechnen und den Erwartungswert mit dem Istwert zu vergleichen. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Überprüfung eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl parallel geschalteter elektrischer Batterien.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, das für die temporäre Versorgung eines elektrischen Gebäudeenergieversorgungsnetzes mit elektrischer Energie geeignet ist und ein Verfahren zur Überprüfung eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl parallel geschalteter elektrischer Batterien. Das Batteriesystem weist einen elektrischen Energiespeicher aus mehreren miteinander verschalteten Batterien oder elektrischen Sekundärzellen mit einer gesamten Speicherkapazität von mehr als zwei kWh auf. Bevorzugt sind auch größere Systeme mit mehr als vier, zehn, 20 oder 40 kWh im Einsatz. Derartige Batteriesysteme weisen weiterhin ein Batteriemanagementsystem (BMS) zur individuellen Überwachung und zur geregelten Symmetrisierung eines Ladezustands jeder elektrischen Batterie auf. Außerdem ist eine Wechselrichtereinheit vorgesehen, mit einem Anschluss an das Gebäudeenergieversorgungsnetz und einem Anschluss an den elektrischen Energiespeicher.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung weisen Batteriesysteme eine Mehrzahl miteinander gekoppelter Batterien oder eine Mehrzahl miteinander gekoppelter elektrischer Sekundärzellen auf. Die einzelnen Batterien sind wiederum aus einer Mehrzahl Sekundärzellen aufgebaut. Auch für den Fall, dass das Batteriesystem aus einer Mehrzahl gekoppelter strukturell voneinander getrennter elektrischer Sekundärzellen aufgebaut ist, werden die einzelnen Sekundärzellen im Folgenden zur Vereinfachung der Ausdrucksweise ebenfalls als Batterien bezeichnet. In der Terminologie der vorliegenden Erfindung wird also auch eine einzelne Sekundärzelle als Batterie bezeichnet. Das Merkmal einer Batterie ist daher auch wortidentisch durch eine einzelne Sekundärzelle verwirklicht. Die Batterien und die aus elektrisch gekoppelten Batterien gebildeten Batteriesysteme können somit auf- und wieder entladen werden. Aufgrund dieser Eigenschaft lässt sich mit Hilfe derartiger Batteriesysteme die nicht für den unmittelbaren Verbrauch benötigte elektrische Energie beispielsweise aus lokalen Gleich- oder Wechselstromquellen für den zeitlich späteren Bedarf speichern. Derartige lokale, d.h. in der näheren Umgebung des Gebäudenetzes angesiedelte, Gleich- und Wechselstromquellen sind beispielsweise Photovoltaik-Anlagen, Windkraftanlagen oder aber auch Blockheizkraftwerke. Diese Batteriesysteme kommen insbesondere bei der Versorgung elektrischer Gebäudeenergieversorgungsnetze privater Haushalte und gewerblicher Betriebe mit elektrischer Energie zum Einsatz. Vor diesem Hintergrund sind Batteriesysteme erforderlich, die Energiespeicherkapazitäten von mehr als zwei kWh aufweisen, um wirtschaftlich zu sein. Die Wirtschaftlichkeit errechnet sich insbesondere vor dem Hintergrund sinkender Einspeisevergütungen für regenerativ erzeugten Strom und gleichzeitig steigender Preise für elektrische Energie öffentlicher Versorger. Ein weiteres Argument für den Einsatz lokaler Batteriesysteme sind Tarifmodelle, deren Strompreise sich auf Grundlage der bereitzustellenden Spitzenleistung berechnen. Mit Hilfe von Batteriesystemen ist es möglich, die vom externen Energieversorger bereitzustellenden Spitzenleistungen zu reduzieren und auf diesem Wege elektrische Energie über ein günstigeres Preismodell zu beziehen. Aufgrund der in Deutschland seit 2013 eingeführten staatlichen Förderung für die Investition in lokale elektrische Batteriesysteme, nimmt die Nachfrage nach diesen Systemen deutlich zu. Der Kosten- und Konkurrenzdruck zwischen den Herstellern derartiger Batteriesysteme erfordert deren stetige Weiterentwicklung.
Ein Batterie-Management-System (BMS) dient insbesondere zur Überwachung der einzelnen Batterien des Batteriesystems und soll neben der Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer des Batteriesystems sicherstellen. Eine Aufgabe des BMS besteht darin, Ladezustände (SOC, state of charge) der einzelnen Batterien des Batteriesystems trotz unterschiedlicher Selbstentladungen und unterschiedlicher Ladeeffizienzen aufeinander abzustimmen. Das kann durch eine geeignete Symmetrisierung der Batterien (Balancing) realisiert werden, die in der Regel resistiv vorgenommen wird. Dazu wird zu jeder Batterie ein Widerstand und ein Schaltelement vorgesehen, um einzelne Batterien, wenn nötig, gezielt über diesen so genannten Balancing-Widerstand entladen zu können.
In vielen Batteriesystemen sind die Batterien des Energiespeichers parallel verschaltet. Die Überwachung der einzelnen Batterien mittels des BMS ist notwendig, unabhängig davon, ob die Batterien parallel oder/und seriell verschaltet sind. Für diese Überwachung der Batterien durch die BMS müssen die Batterien über drahtgebundene oder drahtlose Datenleitungen mit der BMS gekoppelt sein. Wenn nun eine Batterie geeigneter Spannung zusätzlich parallel geschaltet zu den Batterien des Energiespeichers hinzugefügt wird und diese zusätzliche Batterie nicht am BMS registriert ist, so läuft diese Batterie unbemerkt vom BMS mit. Diese Situation kann bewusst oder unbewusst herbeigeführt werden. Nachteilig daran ist insbesondere, dass die nicht überwachte Batterie zusätzlich das Verhalten und die Eigenschaften des gesamten elektrischen Energiespeichers ändert z.B. hinsichtlich Ladedauer, Kapazität, Gesamtspannung und Einflüsse der Ladeströme auf die Spannung.
Viele Batteriesysteme sind so ausgelegt, dass diese hinsichtlich ihrer Speicherkapazität zeitlich nachgelagert zur Erstmontage ausgebaut werden können. Das heißt eine spätere Montage zusätzlicher Batterien ist durch das Vorsehen entsprechenden Bauraumes oder durch die Verschaltung mit weiteren Batterien in einem zusätzlich bereitgestellten Gehäuse möglich. Entweder werden bei dieser späteren Montage bewusst Batterien eingesetzt, die zwar hinsichtlich ihrer Spannung und Kapazität zu den originalen Batterien der Erstmontage passen, jedoch keine Originalware darstellen und somit nicht für die Registrierung an der vorhandenen BMS geeignet sind. Ebenso ist denkbar, dass originale Batterien als zusätzliche Batterien nachgerüstet werden, jedoch wird versäumt, diese zusätzlichen Batterien an der BMS anzumelden oder anzuschließen oder die Kommunikation mit der BMS funktioniert nicht oder nur fehlerbehaftet. Weiterhin ist es auch möglich, dass die nachgerüsteten Originalbatterien fehlerhaft sind oder im laufenden Betrieb aufgrund von Qualitätsmängeln deutlich schneller degradieren als die übrigen Batterien. Alle diese Szenarien laufen einem optimalen Betrieb des Batteriesystems entgegen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Batteriesystem bereitzustellen, das eine erhöhte Sicherheit hinsichtlich der Überwachung und dem Management parallel geschalteter Batterien bietet.
Diese Aufgabe wird durch ein Batteriesystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Batteriesystem eine Kapazitätsprüfungseinrichtung aufweist, die ausgebildet und eingerichtet ist, als Istwert mindestens einen Messwert elektrische Parameter des Energiespeichers insbesondere in Form zeitlich aufgelöster Gleichstrom- und/oder Gleichspannungswerte des Energiespeichers zu erfassen und/oder den Istwert mittels mehrerer erfasster Messwerte elektrischer Parameter des Energiespeichers zu berechnen und anhand vom Batteriemanagementsystem ermittelter Daten über die Mehrzahl der überwachten Batterien einen Erwartungswert des Ladezustands der Batterien und/oder einen Erwartungswert des mindestens einen Messwertes zu berechnen und den Erwartungswert mit dem Istwert zu vergleichen.
Das Batteriesystem führt mit Hilfe der Kapazitätsprüfungseinrichtung eine direkte und/oder eine indirekte Überprüfung der elektrischen Gesamtkapazität des Energiespeichers durch. Weicht der Erwartungswert des Ladezustands der einzelnen Batterien des Energiespeichers oder der Erwartungswert des Messwertes des Energiespeichers unter Berücksichtigung der Toleranzen von Messfehler und Berechnungsmodellfehler vom zugehörigen Istwert ab, so ist dadurch der Nachweis geliefert, dass die gemäß BMS vorhandene Kapazität des elektrischen Energiespeichers nicht mit dem realen Verhalten des Batteriesystems übereinstimmt. Üblicherweise wird sich das Batteriesystem so verhalten, dass es eine höhere elektrische Kapazität aufweist, als gemäß BMS vorhanden sein sollte. Dies kann mehrere Gründe haben. Entweder ist die Kommunikation zwischen mindestens einer Batterie und dem BMS derart gestört, dass das BMS annimmt, die Batterie sei gar nicht vorhanden, de facto läuft diese Batterie jedoch parallel geschaltet im Batteriesystem mit. Ein derartiger Fehler in der Kommunikation zwischen Batterie und BMS kann auch im laufenden Betrieb eines Batteriesystems auftreten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass eine zusätzliche Batterie elektrisch parallel an den Energiespeicher angeschlossen wurde, die gar nicht dafür geeignet ist, mit dem bestehenden BMS zu kommunizieren. Oder bei der Montage einer an sich zur Kommunikation mit dem BMS geeigneten Batterie ist ein Installationsfehler aufgetreten, so dass das BMS diese Batterie nicht erkennen kann. Fabrikationsfehler einzelner Batterien können zur Folge haben, dass sich diese im Betrieb deutlich stärker erhitzen. Auch solch eine Fehlfunktion kann über die Kapazitätsprüfungseinrichtung ermittelt werden. Dafür ist es vorteilhaft, wenn als Auslöser für eine Prüfung der Kapazität eine via BMS detektierte Temperaturdifferenz gegeben ist, die über einem tolerablen Schwellwert liegt.
Vorzugsweise ist die Kapazitätsprüfungseinrichtung gemäß einer ersten Variante derart eingerichtet und ausgebildet, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung als den Istwert eine in den Energiespeicher fließende elektrische Energiemenge und/oder eine aus dem Energiespeicher fließende elektrische Energiemenge berechnet, wobei die Kapazitätsprüfungseinrichtung den Erwartungswert der Änderung des Ladezustands der Batterien aufgrund einer Anzahl der vom Batteriemanagementsystem überwachten Batterien ermittelt und mit dem vom Batteriemanagementsystem ermittelten Istwert des Ladezustands der Batterien vergleicht. Dadurch kann effektiv ermittelt werden, ob der Istwert gleich oder im Rahmen einer Toleranz etwa gleich dem berechneten Erwartungswert ist. Wenn ja, dann sind alle physikalisch parallel geschalteten Batterien des Energiespeichers mit dem BMS verbunden. Wenn nein, dann ist dem Batteriesystem eine oder mehrere Batterien hinzugefügt worden, ohne an das BMS angeschlossen zu sein oder deren Kommunikation mit dem BMS ist nachhaltig gestört.
Bei dieser ersten Variante der Kapazitätsprüfungseinrichtung wird eine zu erwartende Ladezustandsänderung durch eine Entladung oder Aufladung der parallel geschalteten und von der BMS registrierten Batterien mit gemessenem Gleichstrom und gemessener Gleichspannung ermittelt. Zur Ermittlung dieses Erwartungswerts wird seitens des BMS die Information verarbeitet, wie viele parallel geschaltete Batterien mit welcher Kapazität beim BMS registriert sind. Sind diese Werte bekannt, so kann anhand der dem BMS bekannten Lade- und Entladekurven der am BMS registrierten Batterien bestimmt werden, zu welcher Ladezustandsänderung dieser Batterien das Zuladen oder das Entladen einer gemessenen elektrischen Energiemenge führen würde.
Alternativ oder zusätzlich ist die Kapazitätsprüfungseinrichtung gemäß einer zweiten Variante derart eingerichtet und ausgebildet, dass diese eine temporäre Entnahme eines derart hohen Gesamtstroms aus den parallel geschalteten Batterien auslöst, und/oder dass diese ein temporäres Einspeisen eines derart hohen Gesamtstroms in die parallel geschalteten Batterien auslöst, dass es zu einer temporären Gleichspannungsänderung der Gleichspannung der parallel geschalteten Batterien kommt, wobei die Kapazitätsprüfungseinrichtung den Messwert der Gleichspannungsänderung als Istwert ermittelt und mit dem Erwartungswert einer Gleichspannungsänderung vergleicht, der sich aus der Anzahl der vom Batteriemanagementsystem überwachten Batterien und dem jeweiligen Ladezustand in Relation zum entnommenen oder zum eingespeisten Gesamtstrom ergibt. Auch auf diese Weise kann effektiv ermittelt werden, ob der Istwert gleich oder im Rahmen einer durch Messfehler und Berechnungsmodellfehler bedingten Toleranz zumindest etwa gleich dem berechneten Erwartungswert ist. Wenn ja, dann sind alle physikalisch parallel geschalteten Batterien mit dem BMS verbunden. Wenn nein, dann ist dem Batteriesystem eine oder mehrere Batterien hinzugefügt worden, ohne an das BMS angeschlossen zu sein oder die Kommunikation zwischen einer oder mehrerer der Batterien und dem BMS ist gestört. Gemäß dieser zweiten Variante der Kapazitätsprüfungseinrichtung wird zur Ermittlung der Kapazität oder der Anzahl der parallel geschalteten Batterien eine gemessene Spannungsänderung bei einem definiert durch den elektrischen Energiespeicher fließenden Gleichstrom herangezogen. Aufgrund der bekannten Eigenschaften der am BMS registrierten Batterien und deren Ladezustands lässt sich extrapolieren, in welcher Höhe eine Spannungsänderung bei einem hinreichend großen Strombetrag zu erwarten ist. Daraus ergibt sich der benötigte Erwartungswert.
Mittels des Vergleichens dieses Erwartungswerts mit dem Istwert des Spannungseinbruchs kann das Batteriesystem feststellen, ob es eine Batterie aufweist, die nicht mit dem BMS verbunden ist oder deren Verbindung zum BMS gestört oder unterbrochen ist.
Weiterhin alternativ oder zusätzlich ist die Kapazitätsprüfungseinrichtung gemäß einer dritten Variante derart eingerichtet und ausgebildet, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung als den Istwert einen in den Energiespeicher fließenden elektrischen Gesamtstrom und/oder einen aus dem Energiespeicher fließenden elektrischen Gesamtstrom ermittelt, wobei die Kapazitätsprüfungseinrichtung den Erwartungswert als Summe der Einzelströme der vom Batteriemanagementsystem überwachten Batterien ermittelt und mit dem Istwert des elektrischen Gesamtstroms des Energiespeichers mit den Batterien vergleicht.
Die dritte Variante bietet insbesondere den Vorteil, dass die Messung vergleichsweise schnell und zuverlässig erfolgen kann. Die Strommesswerte der einzelnen Batterien liegen über die BMS ohnehin vor. Der Gesamtstrom wird mit der Summe der BMS-Einzelströme verglichen. Es reicht aus für einen Zeitraum von 10 bis 15 Sekunden einen Gesamtstrom zu entnehmen oder einzuspeisen und die sich in diesem Zeitfenster einstellenden Einzelströme zu erfassen und auszuwerten. Zwischen den ermittelten Einzelströmen, die im Idealmodell genau gleich sein müssten, wird angesichts der nicht ideal funktionierenden Batterien und der auftretenden Messfehler eine Toleranz von 10% akzeptiert. Wenn die Summe der Einzelströme mehr als 7% vom Gesamtstrom abweicht, wird dies als Indikator für eine teilweise Fehlfunktion oder für das Vorhandensein einer nicht am BMS angemeldeten Batterie interpretiert. Diese Werte können abhängig von den verwendeten Komponenten und Systemarchitektur auch enger gefasst werden beispielsweise 7% Messfehler und unter 5% Abweichung für den Gesamtstrom.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Batteriesystem derart ausgelegt, dass eine signifikante Abweichung verglichener Ladezustandswerte und/oder verglichener Messwerte eine Fehlermeldung im Batteriesystem auslöst. Durch diese Ausgestaltung kann das Batteriesystem beispielsweise seinen Nutzer oder einen Wartungsservice darauf hinweisen, dass es beispielsweise eine physikalisch im Energiespeicher parallel mitlaufende Batterie aufweist, die jedoch nicht mit dem BMS verbunden ist, deren BMS fehlerhaft ist oder ein fehlerhafter elektrischer Anschluss von Batterie und/oder BMS vorliegt. Unter dem Ausdruck „signifikante Abweichung“ ist im Sinne der Erfindung eine Abweichung von mindestens 7% zwischen Erwartungswert und Istwert zu verstehen. Messfehler, Alterungseffekte oder thermische Einflüsse auf das Verhalten der Batterien spielen dann keine Rolle, weil nur Unterschiede von mindestens 7% als Fehler eingestuft werden. Die Sicherheit für das Batteriesystem steigt, weil über die Kapazitätsprüfungseinrichtung eine Fehlerkontrolle und Festlegung der bei der Montage des Batteriesystems aufgebauten Kapazität stattfindet. Das Batteriesystem weist daher eine Sicherheitsfunktion auf, die insbesondere verhindert, dass Batterien integriert werden, die einfach „mitlaufen“, ohne mit am BMS registriert und vom BMS überwacht zu sein und fehlerhafte oder nicht vorhandene Gleichspannungsverbindungen und -anschlüsse detektieren kann.
Die Ausgabe der Fehlermeldung kann auditiv und/oder visuell ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Batteriesystem eine Anzeige aufweisen, die ausgebildet ist, die Fehlermeldung beispielsweise mittels einer Warnlampe anzuzeigen. Alternativ oder zusätzlich kann das Batteriesystem einen Lautsprecher aufweisen, der ausgebildet ist, im Falle einer Fehlermeldung ein Warnsignal auszugeben. Die Ausgabe der Fehlermeldung kann auch drahtlos ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Batteriesystem eine drahtlose Übertragungseinheit aufweisen, die ausgebildet ist, eine Fehlermeldung an den Batteriesystem-Hersteller oder an einen Wartungsservice abzusetzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Batteriesystem derart ausgelegt, dass die Fehlermeldung eine Einschränkung der Funktionalität des Batteriesystems bewirkt. Alternativ oder zusätzlich ist das Batteriesystem derart ausgelegt, dass die Fehlermeldung eine automatische Service-Information generiert. Eine Differenzierung von Fehlerszenarien ist für bevorzugte Varianten des Batteriesystems möglich. Wenn das BMS über längere Nutzungszeiträume eine Veränderung der Anzahl am BMS registrierter Batterien feststellt, jedoch mit Hilfe der Kapazitätsprüfungseinrichtung ermittelt, dass die Kapazität des Energiespeichers im Wesentlichen unverändert bleibt, so deutet dies darauf hin, dass ursprünglich registrierte, originale Batterien im Laufe der Betriebszeit durch nicht an der BMS registrierbare Batterien anderer Hersteller ersetzt worden sind oder die BMS-Kommunikation mit einer originalen Batterie gestört ist. Der Hersteller des Batteriesystems hat ein Interesse daran, dass das Batteriesystem immer mit von ihm zertifizierten originalen Batterien oder immer mit vollzählig am BMS registrierten Batterien betrieben wird. Im vorangehend beschriebenen Fehlerszenario kann der Nutzer auf diese ermittelte Situation hingewiesen werden und das Batteriesystem wird dann unter einem diesbezüglichen Hinweis auf einen geringeren maximal erreichbaren Ladezustand heruntergeregelt. Die gleiche Reaktion wäre denkbar, wenn zu den am BMS registrierten Batterien zusätzliche Batterie-Kapazität ermittelt wird. Auch hier besteht die Möglichkeit der nutzungswidrigen Verwendung nicht originaler Batterien oder dass originale Batterien nicht ordnungsgemäß am BMS angeschlossen oder registriert sind.
Vorzugsweise ist das Batteriesystem derart ausgelegt, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung die Messwerte am Anschluss der Wechselrichtereinheit an den elektrischen Energiespeicher ermittelt. Dieser Anschluss muss nicht notwendigerweise außen am Gehäuse der Wechselrichtereinheit vorgesehen sein. Es ist ebenso möglich, dass die Messwerte im Inneren der Wechselrichtereinheit abgegriffen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kapazitätsprüfungseinrichtung strukturell und/oder funktional in das Batteriemanagementsystem integriert.
Durch die zumindest teilweise funktionale Integration der Kapazitätsprüfungseinrichtung in bestehende Elektronik-Bauelemente des Batteriemanagementsystems werden Bauteile eingespart. Das Batteriemanagementsystem erhält somit eine um die Eigenschaften der Kapazitätsprüfungseinrichtung erweiterte Funktionalität. Weiterhin wird durch die funktionale und/oder strukturelle Integration ein Ausbau oder eine Manipulation der Kapazitätsprüfungseinrichtungs-Funktionalität effektiv verhindert.
In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform ist die Kapazitätsprüfungseinrichtung strukturell und/oder funktional in die Wechselrichtereinheit integriert. Die vorangehend gemachten Ausführungen zur Integration der Kapazitätsprüfungseinrichtung in das Batteriemanagementsystem gelten entsprechend.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Überprüfung eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl parallel geschalteter elektrischer Batterien, aufweisend die folgenden Schritte:

• Bereitstellen eines Batteriesystems, das in einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß der ersten, zweiten und/oder dritten Variante ausgebildet ist,
• Ermitteln eines auslösenden Ereignisses für die Überprüfung des elektrischen Energiespeichers ausgewählt aus der Gruppe aus: – Abwarten eines zeitlichen Überprüfungsintervalls, – Detektion einer über einem Schwellwert liegenden Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen Batterien, – Detektion einer über einem Schwellwert liegenden Differenz zwischen Batteriespannungen verschiedener Batterien und – Detektion einer über einem Schwellwert liegenden Differenz zwischen Batterieladeströmen oder Batterieentladeströmen,
• Überprüfen der Kapazität des elektrischen Energiespeichers gemäß mindestens einer der drei Varianten zur Kapazitätsprüfung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:
1 schematisch ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einer vom Nutzer selbst zusätzlich hinzugefügten Batterie 4‘ und daran angeschlossener DC-Leitungen 3‘;
2 schematisch ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems; und
3 schematisch ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
1 zeigt schematisch ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems. Das Batteriesystem umfasst einen Energiespeicher, in diesem Beispiel aufgebaut aus drei elektrischen Batterien 4. Die Batterien 4 weisen jeweils einen angedeuteten Plus- und Minus-Pol auf und sind mittels DC-Leitungen 3 parallel geschaltet. Zusammen bilden sie den elektrischen Energiespeicher. Der elektrische Energiespeicher in Form der drei parallel geschalteten Batterien 4 ist über DC-Leitungen 3 an die Gleichstromanschlussseite einer Wechselrichtereinheit 2 angeschlossen.
Die Wechselrichtereinheit 2 ist weiterhin mit seiner Wechselstromanschlussseite angeschlossen an ein externes Energieversorgungsnetz EV und an ein Gebäudeenergieversorgungsnetz GN. Die elektrischen Verbraucher des Gebäudeenergieversorgungsnetzes GN sind nicht gezeigt. An der Gleichstromanschlussseite der Wechselrichtereinheit 2 ist eine lokale Energieversorgungseinheit LE angeschlossen, die sich in der näheren Umgebung des Gebäudeenergieversorgungsnetzes befindet. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Photovoltaikanlage auf einem Gebäudedach, die von ihr erzeugten elektrischen Strom in die Gleichstromseite der Batteriesystem-Wechselrichtereinheit einspeist. Wenn die lokale Energieversorgungseinheit LE Wechselstrom generiert, ist sie entsprechend an der Wechselstromanschlussseite der Wechselrichtereinheit 2 angeschlossen. Das externe Energieversorgungsnetz EV, das Gebäudeenergieversorgungsnetz GN und die lokale Energieversorgungseinheit LE sind nicht Bestandteil des Batteriesystems.
Weiterhin weist das Batteriesystem ein Batteriemanagementsystem (BMS) 5 auf, das über Daten- und Kommunikationsleitungen 6 mit jeder der drei Batterien 4 verbunden ist. Das BMS dient in aus dem Stand der Technik bekannter Weise zur Symmetrisierung der Ladezustände der einzelnen Batterien 4 des Energiespeichers. Dazu kommt nicht abgebildete Hardware wie z.B. zuschaltbare elektrische Widerstände zum Einsatz, über die Ströme geführt werden, um eine Ladezustandssymmetrisierung der Batterien 4 herbeizuführen.
Als weiteres Bauelement des Batteriesystems steht eine Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 über eine Datenleitung 6 mit dem BMS 5 und mit der Wechselrichtereinheit 2 in Verbindung.
In punktierter Darstellung ist eine, beispielsweise vom Nutzer des Batteriesystems, mittels zusätzlicher DC-Leitungen 3‘ zum Energiespeicher zusätzlich hinzugefügte Batterie 4‘ gezeigt. Diese ist zu den drei Batterien 4 des Energiespeichers elektrisch parallel geschaltet. Es besteht jedoch keinerlei Verbindung zwischen dem BMS 5 und der zusätzlichen Batterie 4‘. Insofern wird die zusätzliche Batterie 4‘ auch nicht in die Symmetrisierung der Ladezustände mit den übrigen Batterien 4 des Energiespeichers mit einbezogen. Gleichwohl erhöht die zusätzliche Batterie 4‘, angenommen diese weist eine zu den übrigen Batterien 4 vergleichbare Kapazität für elektrische Energie auf, die elektrische Kapazität des Energiespeichers signifikant. Diese Erhöhung der Kapazität des Energiespeichers kann vom BMS 5 mangels entsprechender Detektionsmöglichkeiten nicht festgestellt werden.
Die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 kann entsprechend einer ersten, zweiten und/oder gemäß einer dritten Variante ausgebildet und eingerichtet sein. Bei Betrieb erfasst die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 mindestens einen Messwert elektrische Parameter des Energiespeichers insbesondere in Form zeitlich aufgelöster Gleichstrom- und/oder Gleichspannungswerte des Energiespeichers als Istwert und/oder berechnet den Istwert mittels mehrerer erfasster Messwerte elektrischer Parameter des Energiespeichers und berechnet anhand vom BMS 5 ermittelter Daten über die Mehrzahl der überwachten Batterien 4 einen Erwartungswert des Ladezustands der Batterien 4 und/oder einen Erwartungswert des mindestens einen Messwerts und vergleicht den Erwartungswert mit dem Istwert.
In einer ersten Variante ist die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 als den Istwert eine in den Energiespeicher fließende elektrische Energiemenge und/oder eine aus dem Energiespeicher fließende elektrische Energiemenge berechnet, wobei die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 den Erwartungswert der Änderung des Ladezustands der Batterien 4 aufgrund einer Anzahl der vom Batteriemanagementsystem 5 überwachten Batterien 4 ermittelt und mit dem vom Batteriemanagementsystem 5 ermittelten Istwert des Ladezustands der Batterien 4 vergleicht.
In einer zweiten Variante ist die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 derart eingerichtet und ausgebildet, dass diese eine temporäre Entnahme eines derart hohen Gesamtstroms Ig aus den parallel geschalteten Batterien 4 auslöst und/oder dass diese ein temporäres Einspeisen eines derart hohen Gesamtstroms Ig in die parallel geschalteten Batterien 4 auslöst, dass es zu einer temporären Gleichspannungsänderung der parallel geschalteten Batterien 4 kommt, wobei die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 den Messwert der Gleichspannungsänderung als Istwert ermittelt und mit dem Erwartungswert einer Gleichspannungsänderung vergleicht, der sich aus der Anzahl der vom Batteriemanagementsystem überwachten Batterien 4 und deren Ladezustand in Relation zum entnommenen oder zum eingespeisten Gesamtstrom ergibt.
In einer dritten Variante ist die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 als den Istwert einen in den Energiespeicher fließenden elektrischen Gesamtstrom Ig und/oder einen aus dem Energiespeicher fließenden elektrischen Gesamtstrom Ig ermittelt, wobei die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 den Erwartungswert als Summe der Einzelströme I1, I2, I3 der vom Batteriemanagementsystem 5 überwachten Batterien 4 ermittelt und mit dem Istwert des elektrischen Gesamtstroms Ig des Energiespeichers vergleicht.
Unabhängig davon, ob die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 gemäß der ersten zweiten und/oder dritten Variante ausgebildet und eingerichtet ist, erkennt die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 aus dem Vergleich des Istwerts mit dem Erwartungswert, ob dem elektrischen Energiespeicher eine nicht mit dem BMS 5 verbundene zusätzliche Batterie 4‘ über zusätzliche DC-Leitungen 3‘ hinzugefügt ist oder nicht. Dies ergibt sich daraus, dass der Istwert im Rahmen der Fehler von Messung und Berechnungsmodell dem Erwartungswert entspricht, wenn dem Batteriesystem keine zusätzlich parallel betriebene Batterie 4‘ hinzugefügt ist, die nicht dem BMS 5 verbunden ist.
Der Nutzer hat gemäß 1 aber dem Energiespeicher selbst eine zusätzliche Batterie 4‘ hinzugefügt, die er mit einer der Batterien 4 über zusätzliche DC-Leitungen 3‘ verbunden hat. Da die zusätzliche Batterie 4‘ und die zusätzlichen DC-Leitungen 3‘ nicht Teil der ersten Ausführungsform sind, sind sie gepunktet dargestellt. Zwischen der zusätzliche Batterie 4‘ und dem BMS 5 besteht keine Kommunikation, beispielsweise über Datenleitungen 6. Daher hat das BMS 5 keine Information über den Anschluss der zusätzlichen Batterie 4‘ an den Energiespeicher des Batteriesystems. Die Erkennung wird über die Wechselrichtereinheit 2 mit Hilfe der Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 vorgenommen. Über die vorstehende erste, zweite und/oder dritte Variante kann die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 erkennen, dass der Nutzer die zusätzliche Batterie 4‘ an das Batteriesystem angeschlossen hat, weil bei einer Kapazitätsprüfung, die wie vorstehend beschrieben durchgeführt wird, der Istwert nicht dem Erwartungswert entspricht.
2 zeigt schematisch ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems. Die zweite Ausführungsform entspricht der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 strukturell und/oder funktional betrachtet als Bestandteil des BMS 5 ausgebildet und eingerichtet ist. Insofern kann man auch davon sprechen, dass das BMS 5 eine erweiterte Funktionalität aufweist. Das BMS 5 erhält über seine Funktionalität der integrierten Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 die Möglichkeit, den Anschluss weiterer Batterien 4‘ an das Batteriesystem zu bemerken, die die Kapazität signifikant erhöhen ohne dabei der durch das BMS 5 geregelten Symmetrisierung der einzelnen Batterien 4 unterworfen zu sein. Weiterhin ist im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 das externe Energieversorgungsnetz EV mittelbar über das Gebäudeenergieversorgungsnetz GV mit dem Wechselrichter 2 verbunden. Das heißt der Wechselrichter 2 hat keine direkte Anschlussmöglichkeit für das externe Energieversorgungsnetz EV.
3 zeigt schematisch ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems. Die dritte Ausführungsform entspricht der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 strukturell und/oder funktional betrachtet in die Wechselrichtereinheit 2 integriert ist. Weiterhin weist jede Batterie 4 ein BMS-Modul 5 auf, wobei die BMS-Module 5 miteinander und mit der Kapazitätsprüfungseinrichtung 1 über Datenleitungen 6 kommunizieren. Die Datenleitungen 6 zwischen den drei gezeigten BMS-Modulen 5 können leitungsgebunden oder drahtlos ausgebildet sein. Jedes der BMS-Module 5 führt eine Messung relevanter Batterie-Parameter durch. Der Übersichtlichkeit halber sind die einzelnen Batteriespannungen U1, U2, U3 und die einzelnen Batterieströme I1, I2, I3 nicht eingezeichnet.
Obgleich alle drei vorangehend beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen des Batteriesystems einen Anschluss der Wechselrichtereinheit 2 an eine lokale Energieversorgungseinheit LE aufweisen, so ist diese nicht zwangsläufig notwendig. Das Batteriesystem wird in Zukunft zunehmend in Anlagen zum Einsatz kommen, die nicht an eine lokale Energieversorgungseinheit LE angeschlossen sind und nur als Energiedepot Regelenergie und/oder Speicherenergie zur Verfügung stellen.
Bezugszeichenliste

EV: externes Energieversorgungsnetz
GV: Gebäudeenergieversorgungsnetz
LE: lokale Energieversorgungseinheit
Ig: Gesamtstrom des elektrischen Energiespeichers
Ug: Gesamtspannung des elektrischen Energiespeichers
I1, I2, I3: Teilströme der Batterien
U1, U2, U3: Teilspannungen der Batterien
1: Kapazitätsprüfungseinrichtung
2: Wechselrichtereinheit
3: DC-Leitung
3‘: zusätzlich hinzugefügte DC-Leitung
4: Batterie
4‘: zusätzlich hinzugefügte Batterie
5: Batteriemanagementsystem (BMS)
6: Datenleitung

Claims

Batteriesystem für ein elektrisches Gebäudeenergieversorgungsnetz (GV) das Batteriesystem aufweisend: – einen elektrischen Energiespeicher in Form einer Mehrzahl parallel geschalteter elektrischer Batterien (4), – ein Batteriemanagementsystem (5) zur individuellen Überwachung und Symmetrisierung eines Ladezustands jeder elektrischen Batterie (4) und – eine Wechselrichtereinheit (2) mit einem Anschluss an das Gebäudeenergieversorgungsnetz (GV) und einem Anschluss an den elektrischen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem eine Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) aufweist, die ausgebildet und eingerichtet ist, als Istwert mindestens einen Messwert elektrischer Parameter des Energiespeichers insbesondere in Form zeitlich aufgelöster Gleichstrom- und/oder Gleichspannungswerte des Energiespeichers zu erfassen und/oder den Istwert mittels mehrerer erfasster Messwerte elektrischer Parameter des Energiespeichers zu berechnen und anhand vom Batteriemanagementsystem (5) ermittelter Daten über die Mehrzahl der überwachten Batterien einen Erwartungswert des Ladezustands der Batterien (4) und/oder einen Erwartungswert des mindestens einen Messwertes zu berechnen und den Erwartungswert mit dem Istwert zu vergleichen.
Batteriesystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) gemäß einer ersten Variante derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) als den Istwert eine in den Energiespeicher fließende elektrische Energiemenge und/oder eine aus dem Energiespeicher fließende elektrische Energiemenge berechnet, wobei die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) den Erwartungswert der Änderung des Ladezustands der Batterien (4) aufgrund einer Anzahl der vom Batteriemanagementsystem (5) überwachten Batterien (4) ermittelt und mit dem vom Batteriemanagementsystem (5) ermittelten Istwert des Ladezustands der Batterien (4) vergleicht und/oder dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) gemäß einer zweiten Variante derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass diese eine temporäre Entnahme eines derart hohen Gesamtstroms (Ig) aus den parallel geschalteten Batterien (4) auslöst, und/oder dass diese ein temporäres Einspeisen eines derart hohen Gesamtstroms (Ig) in die parallel geschalteten Batterien (4) auslöst, dass es zu einer temporären Gleichspannungsänderung der Gleichspannung der parallel geschalteten Batterien (4) kommt, wobei die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) den Messwert der Gleichspannungsänderung als Istwert ermittelt und mit dem Erwartungswert einer Gleichspannungsänderung vergleicht, der sich aus der Anzahl der vom Batteriemanagementsystem überwachten Batterien (4) und deren jeweiligen Ladezustand in Relation zum entnommenen oder zum eingespeisten Gesamtstrom (Ig) ergibt. und/oder dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) gemäß einer dritten Variante derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) als den Istwert einen in den Energiespeicher fließenden elektrischen Gesamtstrom (Ig) und/oder einen aus dem Energiespeicher fließenden elektrischen Gesamtstrom (Ig) ermittelt, wobei die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) den Erwartungswert als Summe der Einzelströme (I1, I2, I3) der vom Batteriemanagementsystem (5) überwachten Batterien (4) ermittelt und mit dem Istwert des elektrischen Gesamtstroms (Ig) des Energiespeichers mit den Batterien (4) vergleicht.
Batteriesystem gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine signifikante Abweichung verglichener Werte des Ladezustands und/oder verglichener Messwerte eine Fehlermeldung im Batteriesystem auslöst.
Batteriesystem gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlermeldung eine Einschränkung der Funktionalität des Batteriesystems bewirkt und/oder eine automatische Service-Information generiert.
Batteriesystem gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) die Messwerte am Anschluss der Wechselrichtereinheit (2) an den elektrischen Energiespeicher ermittelt.
Batteriesystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) strukturell und/oder funktional in das Batteriemanagementsystem (5) integriert ist.
Batteriesystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsprüfungseinrichtung (1) strukturell und/oder funktional in die Wechselrichtereinheit (2) integriert ist.
Verfahren zur Überprüfung eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl parallel geschalteter elektrischer Batterien, aufweisend die folgenden Schritte: • Bereitstellen eines Batteriesystems gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, • Ermitteln eines auslösenden Ereignisses für die Überprüfung des elektrischen Energiespeichers ausgewählt aus der Gruppe aus: – Abwarten eines zeitlichen Überprüfungsintervalls, – Detektion einer über einem Schwellwert liegenden Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen Batterien, – Detektion einer über einem Schwellwert liegenden Differenz zwischen Batteriespannungen verschiedener Batterien und – Detektion einer über einem Schwellwert liegenden Differenz zwischen Batterieladeströmen oder Batterieentladeströmen, • Überprüfen der Kapazität des elektrischen Energiespeichers gemäß mindestens einer der drei Varianten zur Kapazitätsprüfung.