DE102016203730A1 - Elektrisches Energiespeichersystem - Google Patents

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DE102016203730A1
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Abstract

Es wird ein elektrisches Energiespeichersystem offenbart mit mindestens einer Batterie mit einem Batterie-Management-System, wobei das elektrische Energiespeichersystem ein Überwachungssystem umfasst, welches unabhängig vom Zustand des Batterie-Management-Systems kritische Zustände der Batterie erkennen kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energiespeichersystem.
  • In elektrischen Energiespeichersystemen gibt es kritische Zustände, die bei Fortbestehen zu einer schwerwiegenden Schädigung des elektrischen Energiespeichersystems führen können. Beispielsweise ist solch ein kritischer Zustand die Tiefentladung der Batterien eines elektrischen Energiespeichersystems, insbesondere ist diese bei Li-Ionen-Batterien problematisch. Des Weiteren kann ein niedrigerer Ladezustand („State of Charge“, SOC) oder ein schlechter Alterungszustand („State of Health“, SOH) einer Batterie dazu führen, dass irreparable Schädigungen der Batteriezellen entstehen, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
  • Es wird ein elektrisches Energiespeichersystem offenbart, welches für alle denkbaren Batterie- und elektrische Energiespeichersystem-Betriebsmodi einen kritischen Zustand sicher erkennt. Nach Erkennung eines kritischen Zustands wird entweder per Fernmeldung eine Wartung angefordert, die einen Anlagen-Verantwortlichen auffordert Gegenmaßnahmen einzuleiten, oder es wird automatisch eine Maßnahme gestartet, die geeignet ist, den kritischen Zustand zu beheben.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges elektrisches Energiespeichersystem zur Verfügung zu stellen, welches eigenständig kritische Zustände erkennt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das elektrische Energiespeichersystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems sind in Unteransprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße elektrische Energiespeichersystem gemäß Anspruch 1 umfasst mindestens eine Batterie mit einem Batterie-Management-System und ein Überwachungssystem, welches unabhängig vom Zustand des Batterie-Management-Systems kritische Zustände der Batterie erkennen kann.
  • Vorteilhaft hierbei ist, dass das Überwachungssystem kritische Zustände in einem elektrischen Energiespeichersystem erkennt, wie beispielsweise die Tiefentladung oder den Alterungszustand der Batterie, Umrichter-Temperaturen, die zu einer Lebensdauer-Reduktion des Umrichters führen könnten oder Überströme und Überspannungen. Dadurch, dass das Überwachungssystem unabhängig vom Zustand des Batterie-Management-Systems kritische Zustände der Batterie erkennen kann, kann insbesondere auch bei abgeschaltetem Batterie-Management-System eine Überwachung der Batterie stattfinden. Ein abgeschaltetes Batterie-Management-System kann durch einen Fehler im Batterie-Management-System oder in der Batterie allgemein verursacht sein. Das Batterie-Management-System kann aber auch aktiv abgeschaltet worden sein, um die Eigen-Entladung der Batterie zu minimieren.
  • In einer Ausgestaltung meldet das Überwachungssystem kritische Zustände. Die kritischen Zustände können an ein SMS-Fernwirk- und Meldesystem gemeldet werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Überwachungssystem eine Recheneinheit mit einem Modell. Das Modell dieser Recheneinheit kann beispielsweise ein „Black-Box“- oder „Grey-Box“-Modell umfassen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Modell der Recheneinheit als Parameter den Batterie-Betriebsmodus und weitere Batterie-Parameter.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Modell der Recheneinheit des Überwachungssystems Batterie-Betriebsmodus-Parameter, die von einer Umrichter-Steuerung und -Regelung übermittelt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Modell der Recheneinheit des Überwachungssystems Batterie-Betriebsmodus-Parameter, die vom Batterie-Management-System übermittel werden.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, so wie die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
  • 1 herkömmliches elektrisches Energiespeichersystem;
  • 2 elektrisches Energiespeichersystem mit Batterie und Überwachungssystem;
  • 3 elektrisches Energiespeichersystem mit Batterie, Batterie-Management-System und Überwachungssystem; und
  • 4 alternatives elektrisches Energiespeichersystem mit Batterie, Batterie-Management-System und Überwachungssystem.
  • In 1 ist ein konventionelles elektrisches Energiespeichersystem 1000 dargestellt. Dieses umfasst eine Batterie 500 mit einem Batterie-Management-System 510, einen Umrichter 10 mit einer Umrichter-Steuerung und -Regelung 20 sowie eine Netzeinspeisung 600. Die Netzeinspeisung 600 dient beispielsweise der Einspeisung in ein Mittelspannungsnetz.
  • In 2 ist das erfindungsgemäße elektrische Energiespeichersystem 100 dargestellt. Dieses umfasst die Batterie 500 mit dem Batterie-Management-System 510 sowie ein Überwachungssystem 800. Das Überwachungssystem 800 ist kommunikationstechnisch mit der Umrichter-Steuerung und -Regelung 20 verbunden und optional auch mit dem Batterie-Management-System 510. Dieses Überwachungssystem 800 erkennt unabhängig vom Zustand des Batterie-Management-Systems 510 kritische Zustände der Batterie 500.
  • Das Überwachungssystem 800 kann diese kritischen Zustände der Batterie 500 ebenso melden. Dazu kann ein SMS-Fernwirk- und Meldesystem 900 vorgesehen sein, welches einen Anlagen-Verantwortlichen auffordert Gegenmaßnahmen einzuleiten. Dies kann beispielsweise über eine SMS („Short Message Service“, oder allgemein ein Kurznachrichtendienst) geschehen.
  • Neben den Batterie-Betriebsmodi „Laden“ und „Entladen“ gibt es noch andere Betriebsmodi wie „Eigenversorgung“ oder „Energiesparen“. Im Betriebsmodus „Eigenversorgung“ wird die für den Betrieb des Batterie-Management-Systems 510 benötigte Hilfsenergie nicht aus einer externen Hilfs-Spannungsversorgung entnommen, sondern aus der Batterie 500 selbst. Im Batteriemodus „Energiesparen“ wird die Batterie 500 schlafengelegt, d. h. das Batterie-Management-System 510 wird auf Minimalfunktion heruntergefahren oder komplett abgeschaltet. Im Batteriemodus „Energiesparen“ kommuniziert das Batterie-Management-System 510 in der Regel nicht mehr nach außen. Insbesondere ist es im Energiesparmodus nicht mehr möglich, den Ladezustand oder irgend einen anderen Zustand der Batterie 500 abzufragen.
  • Gemäß 2 ist daher im Überwachungssystem 800 eine Recheneinheit mit einem Modell 810 vorgesehen, welches dynamisch (zeitabhängig) den Batteriezustand modelliert. Innerhalb des Überwachungssystems 800 ist es die Recheneinheit 810, die kommunikationstechnisch mit der Umrichter-Steuerung und -Regelung 20 und optional auch mit dem Batterie-Management-System 510 verbunden ist. Das Modell der Recheneinheit 810 kann ein „Black-Box“ oder ein „Grey-Box“-Modell sein, welches Batterie-Parameter wie beispielsweise SOC- und/oder SOH-Werte der Batterie fortlaufend berechnet. Die Modell-Ausgangs- oder Ausgabe-Parameter werden an die vom Batterie-Managementsystem 510 kommunizierten Messwerte des beispielsweise SOC und/oder SOH angepasst, sobald neue SOC- oder SOH-Messwerte vorliegen.
  • Als „Black-Box“-Modelle werden bevorzugt mehrdimensionale, stückweise affin-lineare Interpolationsmodelle, mehrdimensionale Spline-Modelle oder neuronale Netze (zum Beispiel mit radialen Basisfunktionen) verwendet. „Grey-Box“-Modelle enthalten im Unterschied zu „Black-Box“-Modellen physikalische Zusammenhänge bzw. Teilmodelle, die von empirische Teilmodellen ergänzt werden.
  • Für die initiale Offline-Anpassung der Modellparameter wie auch für die Online-Adaption der Modellparameter werden Standardmethoden der Systemidentifikation verwendet wie beispielsweise von Ljung: System Identification: Theory for the User (2nd Edition) oder von Michel Verhaegen: Filtering and System Identification: A Least Squares Approach.
  • Die Recheneinheit 810 mit dem dynamischen Modell berechnet die Ausgabegrößen des Modells auf Basis von Parametern, die dem Überwachungssystem 800 durch seine kommunikationstechnische Anbindung bekannt sind. Dies können beispielsweise Lade- oder Entladeströme, Stromänderungsraten, Kurzzeitstromschwankungen oder Batterie-Umgebungstemperaturen sein. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das dynamische Modell 810 Batterie-Betriebsmodus-Parameter verwendet, die vom Batterie-Management-System 510 kommuniziert werden, wie beispielsweise die Batterie-Temperatur. Bevorzugt wird ein Modell, welches keine Abhängigkeit von den Batterie-Betriebsmodus-Parametern, die vom Batterie-Management-System 510 kommuniziert werden, verwendet.
  • Das Überwachungssystem 800 ist bevorzugt mit mindestens einem analogen oder digitalen Eingang eines SMS-Fernwirk- und Meldesystems 900 verbunden. Wenn das Modell 810 im Überwachungssystem 800 einen kritischen Batteriezustand erkennt, dann aktiviert das Überwachungssystem 800 den analogen oder digitalen Eingang des verbundenen Fernwirk- und Meldesystems 900. Das Meldesystem 900 ist so konfiguriert, dass bei Aktivierung des Eingangs einer SMS an die Anlagen- oder Gebäudewarte, welche für die Überwachung des Betriebs des elektrischen Speichersystems 100 verantwortlich ist, geschickt wird.
  • Wenn das Meldesystem 900 über mindestens einen analogen oder digitalen Ausgang verfügt, der mit dem Überwachungssystem 800 des elektrischen Energiespeichersystems 100 verbunden ist, wird bei niedrigem Ladezustand und/oder Batteriealterungszustand im Überwachungssystem 800 eine Aktionsfrequenz ausgelöst, die den Ladezustand oder den Alterungszustand erhöht. Wenn im bestehenden Batteriebetriebsmodus ein Laden der Batterie 500 möglich ist, dann wird die Batterie 500 geladen. Wenn im bestehenden Batterie-Betriebsmodus ein Laden der Batterie 500 nicht möglich ist, dann wird erst der Betriebsmodus gewechselt und dann wird ein Ladevorgang gestartet.
  • In 3 ist wiederum eine Batterie 500 mit einem Batterie-Managementsystem 510 dargestellt. Des Weiteren ist eine Echtzeitregelung (storage control unit, SCU) 600 angegeben, welche in Echtzeit den oder die Umrichter 10 regelt. Beispielsweise kann diese Echtzeitregelung 600 innerhalb von 200µs Messwerte oder Parameter abfragen bzw. berechnen. Das Überwachungssystem 800 kann Teil der Echtzeitregelung 600 sein. Die Echtzeitregelung 600 ist Teil der Umrichter-Steuerung und -Regelung 20.
  • In 4 ist weiter dargestellt, dass das Überwachungssystem 800 Teil einer Steuerung 601 sein kann. Hier bilden die Steuerung 601 zusammen mit der Echtzeitregelung 600 die Umrichter-Steuerung und -Regelung 20.
  • Das erfindungsgemäße elektrische Energiespeichersystem 100 umfasst somit ein Überwachungssystem 800, welches ein Zustandsmodell umfasst. Dieses Zustandsmodell modelliert insbesondere den „State of Charge“-Zustand und den „State of Health“-Zustand der Batterie 500, besonders in den Fällen, in dem das Batterie-Management-System 510 deaktiviert ist. Das Batterie-Management-System 510 ist beispielsweise im Energiesparmodus der Batterie 500 deaktiviert.

Claims (8)

  1. Elektrisches Energiespeichersystem (100) umfassend mindestens eine Batterie (500) mit einem Batterie-Management-System (510), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Energiespeichersystem (100) ein Überwachungssystem (800) umfasst, welches unabhängig vom Zustand des Batterie-Management-Systems (510) kritische Zustände der Batterie (500) erkennen kann.
  2. Elektrisches Energiespeichersystem (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das Überwachungssystem (800) kritische Zustände meldet.
  3. Elektrisches Energiespeichersystem (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Überwachungssystem (800) kritische Zustände an ein SMS-Fernwirk- und Meldesystem (900) meldet.
  4. Elektrisches Energiespeichersystem (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Überwachungssystem (800) eine Recheneinheit mit einem Modell (810) umfasst.
  5. Elektrisches Energiespeichersystem (100) gemäß Anspruch 4, bei dem das Modell der Recheneinheit (810) des Überwachungssystems (800) ein „Black-Box“- oder „Grey-Box“-Modell umfasst.
  6. Elektrisches Energiespeichersystem (100) gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem das Modell der Recheneinheit (810) des Überwachungssystems (800) folgende Parameter umfasst: Batterie-Betriebsmodus; Batterie-Betriebsmodus-Parametern.
  7. Elektrisches Energiespeichersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, bei dem das Modell des Überwachungssystems (800) weiter folgende Parameter umfasst: Batterie-Betriebsmodus-Parametern, die von einer Umrichter-Steuerung und -Regelung (20) übermittelt werden.
  8. Elektrisches Energiespeichersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 4, 5, 6 oder 7, bei dem das Modell der Recheneinheit (810) des Überwachungssystems (800) weiter folgende Parameter umfasst: Batterie-Betriebsmodus-Parametern, die vom Batterie-Management-System (510) übermittel werden.
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