DE102015203269A1 - Speichersystem zum Speichern elektrischer Energie - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Speichersystem (100) zum Speichern elektrischer Energie, mit einem Energiespeicher (101) zum Erzeugen einer Gleichspannung; einem Umrichter (103) zum Umrichten der Gleichspannung in eine Wechselspannung, der über einen Zwischenkreis (105) mit dem Energiespeicher (101) verbunden ist; und einer Diode (107), die in dem Zwischenkreis (105) parallel zu dem Energiespeicher (101) und dem Umrichter (103) in Sperrrichtung geschaltet ist, zum Begrenzen einer Spannung in dem Zwischenkreis (105).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Speichersystem zum Speichern elektrischer Energie.
  • Der steigende Bedarf an Speichersystemen erfordert einen hohen Sicherheitsstandard während des Betriebs und Schutzmechanismen für den Fehlerfall. Die Verbindung eines Energiespeichers als Gleichspannungsquelle oder -Senke an ein Wechselspannungsnetz wird über einen Wechselrichter realisiert. Hierbei existiert ein Gleichspannungszwischenkreis zwischen Energiespeicher und Wechselrichter, in dem Überspannungen auftreten können.
  • Derzeitige Methoden um den Zwischenkreis, um den Energiespeicher und den Wechselrichter zu schützen, verwenden Schütze, die im Fehlerfall öffnen. Diese Schütze werden durch einen Controller mit passender Software elektrisch angesteuert und bei Überschreiten eines Spannungslevels ausgelöst, um sowohl eine Beschädigung des Wechselrichters als auch des Energiespeichers zu verhindern.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Speichersystem zum Speichern elektrischer Energie anzugeben, durch das mit einfachen Mitteln sowohl ein Energiespeicher als auch ein Umrichter vor einer Überspannung geschützt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Speichersystem zum Speichern elektrischer Energie gelöst, mit einem Energiespeicher zum Erzeugen einer Gleichspannung; einem Umrichter zum Umrichten der Gleichspannung in eine Wechselspannung, der über einen Zwischenkreis mit dem Energiespeicher verbunden ist; und einer Diode, die in dem Zwischenkreis parallel zu dem Energiespeicher und dem Umrichter in Sperrrichtung geschaltet ist, zum Begrenzen einer Spannung in dem Zwischenkreis. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass durch die Verwendung der in Sperrrichtung betriebenen Diode in Parallelschaltung zwischen Energiespeicher und Umrichter der Zwischenkreis passiv geschützt werden kann. Eine Überwachung der Spannung mit einer Spannungsmessung, steuerbaren Schützen und ein Controller mit Software können entfallen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems umfasst das Speichersystem eine weitere Diode zum Begrenzen der Spannung in dem Zwischenkreis, die in dem Zwischenkreis parallel zu dem Energiespeicher und dem Umrichter in Sperrrichtung geschaltet ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich die an einer Diode anfallende Leistung im Falle einer Überspannung reduziert und ein redundanter Überspannungsschutz realisiert wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems ist die Diode eine Halbleiterdiode mit p-n-Übergang oder eine Schottky-Diode. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass Überspannungen im Zwischenkreis effizient abgeführt werden können.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems umfasst das Speichersystem einen Widerstand, der in Serie mit der Diode geschaltet ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die anfallende die Leistung im Falle einer Überspannung nicht vollständig an der Diode anfällt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems weist der Widerstand eine Größe von 0,1 Ω bis 100 Ω, vorzugsweise 1 Ω bis 10 Ω auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Beschädigung der Diode aufgrund hoher Leistung verhindert wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems ist die Diode eine hochstromfähige Diode mit einem zulässigen Durchbruchstrom von größer als 60 A. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass auch Überspannungen mit hohen Strömen kurzgeschlossen werden können, ohne dass die Diode beschädigt wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems ist die Diode eine Zener-Diode, eine Avalanche-Diode oder eine Suppressordiode. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass eine effiziente Spannungsstabilisierung erreicht wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems umfasst das Speichersystem weitere Zenerdioden, die in Serie mit der Zenerdiode geschaltet sind. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Durchbruchsspannung erhöht wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems umfasst das Speichersystem einen Gleichspannungswandler zum Erhöhen der Gleichspannung des Energiespeichers. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spannung des Energiespeichers für den Umrichter erhöht werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems umfasst die Diode eine Kühlung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Beschädigung der Diode durch Wärme verhindert werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Speichersystems ist die Kühlung durch einen Kontakt der Diode mit einem Kühlkörper realisiert. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Kühlung mit einem geringen Aufwand realisiert werden kann.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Ansicht eines Speichersystems; und
  • 2 eine Kennlinie einer Diode.
  • 1 zeigt eine Ansicht eines Speichersystems 100 zum Speichern elektrischer Energie. Das Speichersystem 100 umfasst einen Energiespeicher 101 zum Erzeugen einer Gleichspannung, einen Umrichter 103 zum Umrichten der Gleichspannung in eine Wechselspannung, der über einen Zwischenkreis 105 mit dem Energiespeicher 101 verbunden ist; und eine Diode 107, die in dem Zwischenkreis 105 parallel zu dem Energiespeicher 101 und dem Umrichter 103 in Sperrrichtung geschaltet ist, zum Begrenzen einer Spannung in dem Zwischenkreis 105. Der Umrichter ist beispielsweise ein Wechselrichter zum Umrichten der Gleichspannung in eine Wechselspannung. Dadurch entsteht eine Parallelschaltung der Diode 107 in Sperrrichtung in dem Zwischenkreis 105 des Energiespeichers 101 und des Umrichters 107.
  • Der Energiespeicher 101 kann ein mechanischer, ein elektrischer, elektrochemischer, ein chemischer Energiespeicher oder ein Wärmespeicher sein. Ein mechanischer Energiespeicher ist beispielsweise ein Schwungrad (Flywheel), ein Pumpspeicherkraftwerk oder ein Druckspeicher. Ein elektrischer oder elektrochemischer Energiespeicher 101 ist beispielsweise ein Superkondensator oder eine Batterie. Ein chemischer Energiespeicher 101 verwendet beispielsweise Wasserstoff, Methan oder Methanol. Demgegenüber verwendet ein Wärmespeicher Dampf, Warmwasser, PCM-Materialen oder Carbonatschmelzen. Bei einer nicht-elektrischen Speicherung von Energie wird die Gleichspannung mithilfe einer Umwandlungsvorrichtung erzeugt. Wird beispielsweise Energie in der Bewegung eines Schwungrads gespeichert, kann ein Generator verwendet werden, um aus der Bewegungsenergie eine gleichgerichtete Spannung zu erzeugen.
  • Die Diode 107 im Zwischenkreis 105 kann als p-n dotierter Halbleiterkristallübergang oder als Metall-Halbleiter-Übergang (Schottky-Diode) ausgeführt werden. Die Diode 107 kann auch als Zener-Diode ausgeführt sein. In diesem Fall ist eine Serienschaltung von Zener-Dioden vorteilhaft, um die benötigte Durchbruchsspannung zu erreichen. Der Umrichter 103 ist beispielsweise ein Wechselrichter oder Inverter zum Umrichten des Gleichstroms in einen Wechselstrom mit einer vorgegebenen Frequenz.
  • Das Speichersystem 100 umfasst eine Kombination aus Diode 107 und Widerstand 109, damit nicht die komplette Leistung an der Diode 107 anfällt. Der eingesetzte Widerstand 109 wird typischerweise zwischen 1 Ω und 10 Ω dimensioniert. Der Bereich kann auf 0.1 Ω bis 1 Ω als auch zwischen 10 Ω und 100 Ω erweitert werden. Möglich sind auch Widerstände kleiner 0.1 Ω und größer 100 Ω.
  • Die Diode 107 dient als passiver Überspannungsschutz, um die Spannung im Zwischenkreis zu limitieren. Durch die Verwendung einer in Sperrrichtung betriebenen Diode 107 in Parallelschaltung zwischen Energiespeicher 101 und dem Umrichter 103 kann der Zwischenkreis 105 passiv geschützt werden. Dies stellt einen Überspannungsschutz dar, der bis zum Überschreiten der Durchbruchsspannung der Diode 107 gewährleistet ist. Beim Überschreiten der Durchbruchsspannung wird die Diode 107 leitend und fungiert dann als Bypass. Die Spannung im Zwischenkreis 105 oder Energiespeicher 101 steigen nicht weiter an und der überhöhte Strom fließt durch die Diode 107.
  • Durch die Diode 107 wird sowohl die Maximalspannung des Speichersystems 100 beschränkt als auch im Betrieb ein Bypass-Strom durch die Diode 107 ermöglicht. Dadurch kann eine Überwachung der Spannung mittels einer Spannungsmessung, steuerbaren Schützen und einem Controller mit Software entfallen. Daher ist mittels einfacher Bauteile ein passiver Überspannungsschutz des Gesamtsystems gewährleistet, der nicht mittels Software überwacht werden muss oder mechanische Komponenten beinhaltet.
  • 2 zeigt eine Kennlinie der Diode 107, die ab einer gewissen negativen Spannung einen Spannungsdurchbruch erlaubt. Bis zu diesem Punkt ist die Diode 107 nahezu ohne Stromdurchfluss. Die Kennlinie der Diode 107 umfasst einen Durchbruchbereich 205, einen Sperrbereich 203 und einen Durchlassbereich 201. Im Sperrbereich 203 steigt der Strom bis zur Sperrspannung zunächst langsam an. Im Durchbruchbereich 205 jenseits der Sperrspannung steigt der Strom durch die Diode 107 sprungartig an.
  • Eine Skalierung für die Anwendung in dem Energiespeichersystem 100 kann je nach Anforderungen und Einsatzgebiet durchgeführt werden. Das Speichersystem 100 umfasst eine Einbindung einer oder mehrerer in Sperrrichtung betriebenen Dioden 107 in den Zwischenkreis 105 eines Energiespeichers 101, der mit einem Umrichter 103 verbunden ist, wie beispielsweise eine Wechselrichter oder AC/DC-Wandler.
  • Eine hochstromfähige Ausführung der Diode 107 mit einem zulässigen Strom größer als 60 A ist ebenfalls möglich, so dass der Widerstand 109 ersetzt werden kann. Aufgrund des transienten Verhaltens des Umrichters 103 und der Diode 107 fließt bei Erreichen der Diodendurchbruchspannung nur kurzzeitig Strom, beispielsweise kürzer als 1s. In diesem Fall tritt an der Diode 107 nur kurzfristig Leistung auf. Bei längerer Leistungsaufnahme kann eine Kühlung der Diode 107 vorgesehen sein, beispielsweise über einen an der Diode befestigten Kühlkörper. Im Allgemeinen ist ein Einsatz mehrerer Dioden 107 in Serienschaltung möglich, um die anfallende Leistung pro Diode 107 zu reduzieren. Eine Parallelschaltung mehrerer Dioden 107 ist eine weitere Möglichkeit, um die anfallende Leistung pro Diode 107 zu reduzieren.
  • Die Spannung im Zwischenkreis 105 liegt typischerweise zwischen 500 V und 800 V. Dieser Spannungsbereich kann jedoch beliebig erweitert werden. Vor dem Energiespeicher 101 kann ein Gleichspannungswandler, d.h. ein DC/DC-Steller, eingesetzt werden, um eine erste Spannungserhöhung des Energiespeichers 101 zu realisieren.
  • Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
  • Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.

Claims (12)

  1. Speichersystem (100) zum Speichern elektrischer Energie, mit: einem Energiespeicher (101) zum Erzeugen einer Gleichspannung; einem Umrichter (103) zum Umrichten der Gleichspannung in eine Wechselspannung, der über einen Zwischenkreis (105) mit dem Energiespeicher (101) verbunden ist; und einer Diode (107), die in dem Zwischenkreis (105) parallel zu dem Energiespeicher (101) und dem Umrichter (103) in Sperrrichtung geschaltet ist, zum Begrenzen einer Spannung in dem Zwischenkreis (105).
  2. Speichersystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Speichersystem (100) eine weitere Diode (107) zum Begrenzen der Spannung in dem Zwischenkreis (105) umfasst, die in dem Zwischenkreis (105) parallel zu dem Energiespeicher (101) und dem Umrichter (103) in Sperrrichtung geschaltet ist.
  3. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Diode (107) eine Halbleiterdiode mit p-n-Übergang oder eine Schottky-Diode ist.
  4. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Speichersystem (100) einen Widerstand (109) umfasst, der in Serie mit der Diode (107) geschaltet ist.
  5. Speichersystem (100) nach Anspruch 4, wobei der Widerstand (109) eine Größe von 0,1 Ω bis 100 Ω, vorzugsweise 1 Ω bis 10 Ω aufweist.
  6. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Diode (107) eine hochstromfähige Diode mit einem zulässigen Durchbruchstrom von größer als 60 A ist.
  7. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Diode (107) eine Zener-Diode, eine Avalanche-Diode oder eine Suppressordiode ist.
  8. Speichersystem (100) nach Anspruch 7, wobei das Speichersystem (100) weitere Zenerdioden umfasst, die in Serie mit der Zenerdiode (107) geschaltet sind.
  9. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Speichersystem (100) einen Gleichspannungswandler zum Erhöhen der Gleichspannung des Energiespeichers (101) umfasst.
  10. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Diode (107) eine Kühlung umfasst.
  11. Speichersystem (100) nach Anspruch 10, wobei die Kühlung durch einen Kontakt der Diode (107) mit einem Kühlkörper realisiert ist.
  12. Speichersystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Speichersystem (100) weitere Dioden umfasst, die parallel geschaltet sind.
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