DE102017107070A1

DE102017107070A1 - Kaskadierbare anordnung zum verschalten einer vielzahl von energiespeichern sowie verfahren zur steuerung der energieversorgung bei diesen energiespeichern

Info

Publication number: DE102017107070A1
Application number: DE102017107070.2A
Authority: DE
Inventors: Issam Al-Abassy
Original assignee: Accupower Forschungs Entw und Vertriebsgesellschaft Mbh; Accupower Forschungs- Entwicklungs- und Vertriebsgesellschaft Mbh
Current assignee: Accupower Forschungs Entw und Vertriebsgesellschaft Mbh; Accupower Forschungs- Entwicklungs- und Vertriebsgesellschaft Mbh
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2018-10-04
Also published as: EP3607630A1; WO2018185059A1

Abstract

Beim Verschalten von Energiespeichern untereinander und mit einer Energiequelle oder einem Verbraucher steht einerseits die effiziente Nutzung der gespeicherten Energie im Vordergrund, andererseits aber auch die möglichst nachhaltige, intelligente Belastung der Energiespeicher, wobei das Gesamtsystem möglichst flexibel konfigurierbar bleiben soll. Bisherige Konzepte sind jedoch in vielen Fällen nicht ausreichend flexibel konfigurierbar, oder aber sehr komplex. Die Erfindung betrifft eine Energiespeichermanagementanordnung (10) mit einer mit den Energiespeichern verbundenen sowie mit dem wenigstens einen Verbraucher und der Ladeeinheit verbindbaren Verschaltungseinrichtung (15), welche je Energiespeicher wenigstens zwei wenigstens dreistufige Umschalter (S1,..., S12) umfasst, welche derart angeordnet sind, dass die Energiespeichermanagementanordnung (10) für eine Teilbeschaltung einer Teilmenge der Energiespeicher (B1, ..., Bn) in Parallelanordnung eingerichtet ist. Hierdurch ergeben sich bei einfachem Aufbau Vorteile hinsichtlich flexibler Verschaltbarkeit der Energiespeicher sowie hinsichtlich der Skalierbarkeit des Gesamtsystems.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verschalten einer Vielzahl von parallel oder seriell miteinander verschaltbaren Energiespeichern. Ferner ist ein Verfahren zur Steuerung der Energieversorgung zwischen einer Ladeeinheit bzw. einem Verbraucher und den Energiespeichern betroffen, insbesondere im Zusammenhang mit dem Optimieren der nachhaltigen Nutzung der verfügbaren Energie. Nicht zuletzt betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer entsprechenden Verschaltungseinrichtung.
Das Verschalten von Energiespeichern untereinander und mit einer Energiequelle oder einem Verbraucher ist eine Technologie, welcher bei Anordnungen mit vielen Energiespeichern hohe Bedeutung zukommt. Große Kapazitäten oder Leistungen werden in vielen Fällen allein dadurch realisierbar, dass eine Vielzahl von kleinen Energiespeichern miteinander verschaltet werden. Ein Beispiel sind die effizienten Akkus für tragbare Computer, welche auch für den Antrieb von Automobilen verwendet werden. Beim Verschalten steht einerseits die effiziente Nutzung bzw. Ausbeute der in den Energiespeichern gespeicherten Energie im Vordergrund, andererseits aber auch die möglichst nachhaltige, intelligente Nutzung bzw. Belastung der Energiespeicher, auch in Hinblick auf die Lebensdauer und die Entladezyklen, wobei das Gesamtsystem möglichst flexibel konfigurierbar bleiben soll. Je nach Anwendungsgebiet oder Art der Energiespeicher werden unterschiedliche Konzepte verfolgt.
EP 2452391 A1 beschreibt ein Batteriemanagementsystem (BMS) für in einer Matrix parallel und/oder seriell miteinander verschalteter Energiespeicher, wobei Pufferwiderstände eingesetzt werden, um das Schalt-Verhalten vorzugeben.
US 20100225267 A1 beschreibt eine Parallelschaltung von Energiespeichern, die mittels eines Multiplexers mit einer Ladeeinheit gekoppelt werde können. US 7956579 B2 beschreibt eine Serienschaltung von Energiespeichern, die mittels eines Multiplexers mit einer Ladeeinheit gekoppelt werde können.
US 7893561 B2 beschreibt ein BMS zur Überwachung von parallel oder in Serie verschalteten Batteriezellen, wobei sowohl die Spannung als auch die Stromstärke überwacht werden. Dabei kann auch eine Matrixanordnung der Batteriezellen realisiert werden. Es ist eine Multiplexer-Funktion in zeitlicher Hinsicht offenbart.
US 7456521 B2 beschreibt eine Technik zum Verschalten von Batterien oder Energiespeichern, welche sowohl für eine serielle als auch eine parallele Anordnung der Batterien geeignet ist.
US 20130119935 A1 beschreibt die Verwendung von Multiplexer-Technik zum Berücksichtigen der Spannungslevel einer Vielzahl von Akkus.
US 5,243,269 A beschreibt eine Verschaltung einer Mehrzahl von Batterien mit einem Ladegerät, wobei das Schalten jeweils individuell bzgl. einer der Batterien erfolgen kann.
Bisher ist das Verschalten der einzelnen Energiespeicher bereits auf mannigfaltige Weise realisiert worden, jedoch sind viele der zuvor beschriebenen Anordnungen jeweils speziell auf bestimmte Einsatzgebiete ausgelegt und in der Art der Verschaltung etwas vordefiniert, also nicht mehr besonders flexibel, oder aber recht komplex im Aufbau. Die Verschaltung wird so bereitgestellt, dass sie für einen bestimmten Anwendungsfall vorteilhaft ist. Wünschenswert wäre es aber, das Verschalten einzelner Energiespeicher auf noch flexiblere Weise realisieren zu können, insbesondere bei einem möglichst einfachen Aufbau, welcher eine Konfiguration des Gesamtsystems auf möglichst flexible Weise zulässt.
Aufgabe ist, eine Anordnung bzw. eine Art und Weise eines Verschaltens einer Vielzahl von Energiespeichern bereitzustellen, bei welcher die einzelnen Energiespeicher auf möglichst flexible Weise geladen oder entladen werden können, sei es einzeln, sei es in Kombination miteinander. Auch eine Aufgabe ist, eine Schaltungs-Anordnung so auszuführen, dass die einzelnen zu verschaltenden Energiespeicher auf besonders flexible Weise miteinander verschaltbar bleiben. Nicht zuletzt ist es Aufgabe, eine Schaltungs-Anordnung so auszuführen, dass die unterschiedlichen Optionen des Verschaltens unabhängig vom Umfang des Gesamtsystems bzw. unabhängig von der Anzahl der Energiespeicher erhalten bleiben, selbst für den Fall dass eine besonders hohe Anzahl von Energiespeichern vorgesehen ist, oder dass die Anzahl der Energiespeicher erhöht werden soll.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch eine Energiespeichermanagementanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den jeweiligen Unteransprüchen erläutert. Die Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar, sofern dies nicht explizit verneint ist.
Eine Energiespeichermanagementanordnung ist eingerichtet zur Energieversorgung einerseits zwischen einer Ladeeinheit und einer Vielzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschaltbaren Energiespeichern und andererseits zwischen den Energiespeichern und wenigstens einem Verbraucher, mit einer mit den Energiespeichern verbundenen sowie mit dem wenigstens einen Verbraucher und/oder der Ladeeinheit verbindbaren Verschaltungseinrichtung. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Verschaltungseinrichtung je Energiespeicher wenigstens zwei wenigstens dreistufige Umschalter umfasst, die insbesondere durch eine bestimmte Anordnung von Leistungstransistoren beziehungsweise Halbleitern realisiert werden kann, mittels welchen der jeweilige Energiespeicher an die Ladeeinheit oder an den Verbraucher koppelbar ist, wobei die Umschalter derart angeordnet sind, dass Energiespeichermanagementanordnung für eine Teilbeschaltung einer Teilmenge der Energiespeicher in Parallelanordnung eingerichtet ist, oder für eine Teilbeschaltung einer ersten Teilmenge in Parallelanordnung und einer zweiten Teilmenge in serieller Anordnung. Dabei ist der jeweilige Energiespeicher bzw. eine entsprechende Energiespeichereinheit wahlweise in Serie oder parallel zu wenigstens einer weiteren der Energiespeicher schaltbar, auch in Untergruppen.
Bisher erfolgte eine parallele oder serielle Beschaltung von Energiespeichern/Akkus dadurch, dass die Energiespeicher allesamt parallel oder seriell, oder teilweise seriell geschaltet wurden. Im Gegensatz dazu kann mittels der Energiespeichermanagementanordnung auch eine teilweise parallele Schaltung realisiert werden. Insbesondere können die Energiespeicher sowohl seriell als auch parallel geschaltet werden, insbesondere auch in Untergruppen oder mit spezifisch gewählter Gruppierung durch einzelne der Energiespeicher. Dabei können Spannungen und/oder Kapazitäten n-fach erhöht werden. Die Anordnung ist beliebig kaskadierbar, bzw. um eine beliebige Anzahl von Energiespeichern erweiterbar, ohne dass die Flexibilität der Verschaltung verloren geht, und ohne dass die Verschaltung komplexer wird.
Die Energieübertragung kann dabei einerseits von einer Vielzahl von Energiespeichern zu wenigstens einem Verbraucher erfolgen, und andererseits von einer Ladeeinheit zu einer/der Vielzahl von Energiespeichern. Die Energiespeicher sind einzeln oder zusammen an wenigstens einen Verbraucher koppelbar, wobei wenigstens einer oder einzelne der Energiespeicher an eine Ladeeinheit koppelbar sind. Mittels der Verschaltungseinrichtung kann ein Laden sowie Entladen einer Vielzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschaltbarer Energiespeicher erfolgen.
Als Energiespeicher bzw. Energielieferant (Energiequelle), kann dabei ein beliebiger insbesondere wiederaufladbarer Speicher verstanden werden. Beispielsweise können auch genannt werden: jegliche Art von Akkumulatoren, Brennstoffzellen, Superkondensatoren bzw. supercaps, Doppelschichtkondensatoren, Photovoltaikmodule, Windenergiegeneratoren. Die erfindungsgemäße Anordnung bedingt weder eine Beschränkung auf die verwendbaren Materialien noch hinsichtlich der bereitgestellten Kapazität oder Leistung.
Als Verschaltungseinrichtung ist dabei eine Mehrzahl von Leitungen und Umschaltern und wahlweise weiteren Komponenten zu verstehen, welche Umschalter individuell oder in Abhängigkeit voneinander gemäß vordefinierbarer Kriterien ansteuerbar sind, beispielsweise Spannungsbereich, Temperatur, Stromstärke, Ladezustand (SoC), Zeit. Die Verschaltungseinrichtung kann einen Multiplexer umfassen oder zumindest für eine Multifunktionsschaltung beziehungsweise Multifunktionsschaltungs-Funktion eingerichtet sein. Die Verschaltungseinrichtung ist eingerichtet zum Verschalten einzelner Energiespeicher mit dem wenigstens ein Verbraucher und mit der Ladeeinheit, wobei bevorzugt jeder Energiespeicher an die Verschaltungseinrichtung angeschlossen ist.
Dabei ist die Anzahl der Energiespeicher variabel, indem die Energiespeicher kaskadierbar anordenbar oder kaskadierbar miteinander verschaltbar sind. Die Anordnung ist in der Art einer Kaskade erweiterbar, insbesondere da die entsprechenden Umschalter jeweils je Energiespeicher vorgesehen werden.
Der hier als Energiespeicher bezeichnete Speicher kann dabei auch eine Vielzahl von miteinander als Einheit bereitgestellten Akkuzellen umfassen, welche dann zusammen als eine Einheit in die Anordnung eingebunden werden können.
Als dreistufiger Umschalter ist dabei ein Schalter zu verstehen, welcher wenigstens zwei geschlossene Stellungen zum Kontaktieren von jeweils zwei von mindestens drei Leitungen aufweist und wenigsten eine Stellung aufweist, in welcher der Schalter offen ist, so dass kein Strom fließen kann. Der dreistufige Umschalter weist wenigstens drei abgehende Leitungsabschnitte oder drei Eingänge/Ausgänge bzw. Kontakte für diese Leitungen auf.
Die Verschaltungseinrichtung kann eingerichtet sein zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung der miteinander verschalteten Energiespeicher mit einem vordefinierbaren Faktor n in Bezug auf die an einem einzelnen Energiespeicher anliegende Spannung; und/oder zum Bereitstellen einer Kapazität der miteinander verschalteten Energiespeicher mit einem vordefinierbaren Faktor n in Bezug auf die Kapazität eines einzelnen Energiespeichers.
Die Energiespeichermanagementanordnung kann zum Angleichen des Spannungszustandes von wenigstens zwei speziell auswählbaren der Energiespeicher aneinander eingerichtet sein, insbesondere indem die Verschaltungseinrichtung speziell diese beiden Energiespeicher parallel geschaltet werden.
Die Energiespeichermanagementanordnung kann zum Umschalten einzelner Energiespeicher vom wenigstens einen Verbraucher auf die Ladeeinheit oder umgekehrt eingerichtet sein, insbesondere indem die Verschaltungseinrichtung den jeweiligen Energiespeicher von den anderen Energiespeichern entkoppelt und speziell diesen Energiespeicher mit der Ladeeinheit koppelt.
Die Verschaltungseinrichtung kann sowohl über Datenleitungen als auch über Energieleitungen oder eine Kombination dessen mit einzelnen Energiespeichern, mit der Ladeeinheit und/oder mit dem wenigstens einen Verbraucher verbunden sein.
Die Verschaltungseinrichtung kann eingerichtet sein, die einzelnen Energiespeicher derart mit dem wenigstens einen Verbraucher zu koppeln, dass die Kopplung wenigstens eines der Energiespeicher zum wenigstens einen Verbraucher unabhängig von der Anzahl der Energiespeicher oder unabhängig von deren Verschaltung miteinander permanent ohne Unterbrechung besteht.
Die Möglichkeit der Verschaltung von Teilmengen in Parallelanordnung (teilweise Parallelschaltung) ermöglicht nicht zuletzt, einzelne Energiespeicher zu einem beliebigen Zeitpunkt auszutauschen, oder die gesamte Anordnung zu einem beliebigen Zeitpunkt zu kaskadieren. In Hinblick auf eine hohe Lebensdauer der Anordung ist dies ein interessanter Aspekt. Auch kann hierdurch sichergestellt werden, dass die Leistungsfähigkeit der gesamten Anordnung nicht durch einzelne nicht optimal laufende / funktionierende Energiespeicher beeinträchtigt wird. Diese Energiespeicher können problemlos ersetzt oder gewartet werden, und zwar jederzeit, auch während der Verwendung der weiteren Energiespeicher. Die erfindungsgemäße Anordnung liefert also auch diverse Vorteile speziell bei Verbrauchern, die unbedingt kontinuierlich mit einer bestimmten Leistung versorgt werden müssen.
Dank der hohen Flexibilität ist die erfindungsgemäße Anordnung insbesondere auch zur Verwendung auf dem Gebiet der Energiespeicher für Elektromobile eingerichtet, speziell aufgrund der Möglichkeit, die Reichweite des jeweiligen Elektromobils durch modulare Erweiterung der erfindungsgemäßen Anordnung anpassen zu können. Aktuell werden in der Automobilindustrie z.B. ein bis drei Varianten für die Kapazität bei einer Energieversorgung, (und damit für die Reichweite) angeboten. Mittels der erfindungsgemäßen Anordnung sind deutlich feinere Unterteilungen denkbar. Es kann sogar daran gedacht werden, eine jeweilige Anordnung speziell individuell je Anwendung bereitzustellen. Z.B. wenn eine Person weiß, dass sie täglich eine bestimmte Strecke pendeln muss, kann die Anordnung speziell für diese Reichweite ausgelegt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Pol wenigstens eines der Energiespeicher, insbesondere einer Anzahl von n-1 Energiespeichern, mit zwei Umschaltern verbunden, die jeweils an eine von zwei Hauptleitungen der Energiespeichermanagementanordnung koppelbar sind. Dies liefert eine große Flexibilität der Art der Verschaltung bei einfachem Aufbau der Anordnung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verschaltungseinrichtung derart mit den Energiespeichern verschaltbar, dass einzelne der Energiespeicher, insbesondere jeder Energiespeicher mit einem Trio der dreistufigen Umschalter eine zwischen den Hauptleitungen verschaltbare Energiespeichereinheit bildet, welche Energiespeichereinheiten jeweils in Parallelanordnung schaltbar sind und in beliebiger Anzahl zwischen den Hauptleitungen kaskadierbar bzw. erweiterbar sind. Beispielsweise wird die Kaskade aus Energiespeichereinheiten aus fünf bis zehn Energiespeichern jeweils mit einem Paar Umschaltern gebildet. Eine jeweilige Energiespeichereinheit bildet dabei eine Art Modul, um welches Modul die Anordnung modular beliebig oft erweiterbar ist.
Als Hauptleitung ist eine Leitung zu verstehen, an welche die Energiespeicher gemeinsam bzw. individuell gekoppelt werden können. Jeder Energiespeicher kann an die Hauptleitung gekoppelt sein. Die Hauptleitung ist jedenfalls stromführend, wohingegen alle weiteren Leitungen wahlweise auch stromlos sein können, je nach Verschaltung. Ohne die Hauptleitung kann kein Stromkreis geschlossen werden. Die Hauptleitung kann mehrere Hauptleitungsabschnitte aufweisen, insbesondere zwei, jeweils an einen der Pole der Energiespeicher koppelbar. In einer der möglichen Varianten bilden zwei Hauptleitungen bzw. Hauptleitungsabschnitte der Energiespeichermanagementanordnung diejenigen Leitungen einer Parallelschaltung, zwischen welchen eine Teilmenge der Energiespeicher oder alle Energiespeicher verschaltet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind beide Pole (Eingangspol und Ausgangspol) wenigstens eines der Energiespeicher, insbesondere jedes Energiespeichers mit dem Eingangspol eines der weiteren Energiespeicher koppelbar, insbesondere eines benachbarten Energiespeichers der Kaskade. In einer Kaskade von vielen Energiespeichern kann dadurch eine teilweise Parallelschaltung von einzelnen Energiespeichern oder Untergruppen der Energiespeicher erfolgen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind einzelne der Energiespeicher, insbesondere eine Anzahl von n-1 Energiespeichern, zwischen drei oder vier der dreistufigen Umschalter angeordnet. Dies ermöglicht eine Kaskadierung auf besonders elegante Weise, bzw. bei größtmöglicher Flexibilität.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der dreistufigen Umschalter gleich der doppelten Menge der verschaltbaren Energiespeicher. Dies liefert einen besonders einfachen Aufbau: Eine Hauptleitung schließt den Stromkreis, und der jeweilige Energiespeicher kann mittels der beiden Umschalter sowohl an die Hauptleitung gekoppelt bzw. darin eingebunden werden, als auch an wenigstens einen der weiteren Energiespeicher gekoppelt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind einzelne der Energiespeicher, insbesondere jeder Energiespeicher an einen mit einem ersten Hauptleitungsabschnitt der Energiespeichermanagementanordnung verbundenen dreistufigen Umschalter sowie an einen mit einem zweiten Hauptleitungsabschnitt der Energiespeichermanagementanordnung verbundenen dreistufigen Umschalter gekoppelt. Hierdurch kann ein klarer, einfacher Aufbau der Anordnung sichergestellt werden, welcher um eine beliebige Anzahl von Energiespeichern erweiterbar ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel verschaltet die Energiespeichermanagementanordnung eine Kaskade von Energiespeichern, indem die Energiespeicher jeweils zwischen zwei Hauptleitungen verschaltet sind, welche Hauptleitungen jeweils über einen der Energiespeicher und zwei der Umschalter miteinander koppelbar sind. Dies ermöglicht eine Parallelschaltung an bzw. bezüglich jedem der Energiespeicher. Die Hauptleitungen können dabei abschnittsweise jeweils durch eine erste und zweite Verbindungsleitung miteinander verbunden werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Verschaltungseinrichtung oder eine jeweilige Energiespeichereinheit wenigstens eine Leitungsbrücke auf, welche einen der Pole eines jeweiligen Energiespeichers an einen ersten und einen zweiten der mit einem/dem ersten Hauptleitungsabschnitt der Energiespeichermanagementanordnung verbundenen dreistufigen Umschalter koppelt. Dies ermöglicht nicht nur eine flexible Verschaltung in Parallelanordnung, sondern liefert eine besonders einfache, klare Architektur auch für teilweise oder vollständige Verschaltung in Serie.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Verschaltungseinrichtung oder eine jeweilige Energiespeichereinheit wenigstens eine (erste bzw. dritte) Verbindungsleitung auf, welche einen Pol eines jeweiligen Energiespeichers an zwei jeweils mit einer der beiden Hauptleitungen der Energiespeichermanagementanordnung verbundene dreistufige Umschalter koppelt. Hierdurch kann die teilweise serielle bzw. parallele Verschaltung auf besonders einfache und flexible Weise realisiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Energiespeichermanagementanordnung einen Spannungsrampenfilter, welcher zwischen der Ladeeinheit und den Energiespeichern vorgesehen oder anordenbar ist, und welcher eingerichtet ist, Spannungssprünge beim Verschalten einzelner der Energiespeicher zu filtern oder auszugleichen, insbesondere durch Verringern der Geschwindigkeit einer Spannungsänderung. Ein Spannungsrampenfilter liefert den Vorteil, dass ein Verschalten weitgehend unabhängig von der Betriebsweise oder dem Spannungszustand der einzelnen Energiespeicher möglich ist. Auch können Stromimpulse vermieden werden, welche das Risiko von Gerätedefekten mit sich bringen.
Der Spannungsrampenfilter kann derart an bzw. in der Verschaltungseinrichtung angeordnet werden, dass die Energiespeichermanagementanordnung zum unterbrechungsfreien Umschalten zwischen einzelnen der Energiespeicher und/oder zwischen dem wenigstens einen Verbraucher bzw. der wenigstens einen Ladeeinheit und einzelnen der Energiespeicher eingerichtet ist, insbesondere indem der Spannungsrampenfilter an der Hauptleitung der Energiespeichermanagementanordnung angeordnet bzw. darin integriert wird. Hierdurch kann der jeweilige Schaltvorgang jedenfalls über den Filter ausgeführt werden bzw. Unstetigkeiten wie Spannungs- oder Stromänderungen können jedenfalls über den Filter geleitet und abgedämpft werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein/der Spannungsrampenfilter der Energiespeichermanagementanordnung in die Verschaltungseinrichtung integriert, wobei der Spannungsrampenfilter auch die Schnittstelle zum Verbraucher bzw. zur Ladeeinheit bilden kann. Die Integration stellt sicher, dass unabhängig von der jeweiligen Verschaltung der Filter jedenfalls jede Art von auftretenden Unstetigkeiten filtern kann, so dass der Verbraucher davon nicht betroffen wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Spannungsrampenfilter in einem Schaltkreisabschnitt zwischen dem wenigstens einen Verbraucher bzw. der Ladeeinheit und den einzelnen Energiespeichern angeordnet, welcher Schaltkreisabschnitt zwischen den einzelnen Energiespeichern umschaltbar ist. Dies ermöglicht, den Filter direkt zwischen wenigstens einen speziellen Energiespeicher und den Verbraucher oder die Ladeeinheit zu schalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Spannungsrampenfilter mittels eines Schalters von einer Hauptleitung der Energiespeichermanagementanordnung oder von den Energiespeichern entkoppelbar, welcher Schalter bevorzugt direkt vor/hinter dem Filter angeordnet ist. Hierdurch kann das Schließen des Stromkreises unmittelbar im Zusammenhang mit der Einbindung des Filters in den Stromkreis erfolgen, was auch eine besonders robuste, sichere Architektur liefert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Energiespeichermanagementanordnung eine Recheneinheit auf, die in Verbindung mit den Umschaltern ist und mit einer/der Ladeeinheit und wenigstens einem Verbraucher koppelbar ist, wobei die Verschaltungseinrichtung, insbesondere zusammen mit einem/dem Spannungsrampenfilter der Energiespeichermanagementanordnung, bezüglich der jeweils geschalteten Energiespeicher eine Multiplexer-Anordnung bildet oder eine Multiplexer-Funktion beim Verschalten der Energiespeicher realisiert. Hierdurch kann die Funktionalität der Energiespeichermanagementanordnung auf einfache Weise erweitert werden, insbesondere unabhängig von der Anzahl der Energiespeicher. Insbesondere kann die Art und Weise der Verschaltung im Detail gezielt vordefiniert werden, insbesondere nach vorgegebenen spezifischen Schaltmustern.
Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Verschaltungseinrichtung zum Verschalten mehrerer parallel und/oder seriell miteinander verschaltbarer Energiespeicher mit wenigstens einem Verbraucher einerseits und mit einer Ladeeinheit andererseits, wobei die einzelnen Energiespeicher mittels der Verschaltungseinrichtung vom wenigstens einen Verbraucher auf die Ladeeinheit oder umgekehrt umschaltbar sind, wobei die Verschaltungseinrichtung eingerichtet ist, den wenigstens einen Verbraucher, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Spannungsrampenfilters, mit einem jeweiligen Energiespeicher oder Untergruppen/Teilmengen dieser Energiespeicher in Parallelanordnung zu verschalten und dabei Spannungssprünge auszugleichen, wobei die Verschaltungseinrichtung insbesondere zur Verwendung in einer zuvor beschriebenen Energiespeichermanagementanordnung eingerichtet ist. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile. Insbesondere liefert eine derartige Verschaltungseinrichtung eine sehr hohe Flexibilität unabhängig von der Anzahl der Energiespeicher, sei es bezüglich Laden oder Entladen einzelner Energiespeicher.
Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung der Energieversorgung einerseits zwischen einer Ladeeinheit und einer Vielzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschaltbaren Energiespeichern und andererseits zwischen den Energiespeichern und wenigstens einem Verbraucher mittels einer Energiespeichermanagementanordnung, insbesondere einer zuvor beschriebenen Energiespeichermanagementanordnung, wobei einzelne der parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Energiespeicher mittels einer Verschaltungseinrichtung an den wenigstens einen Verbraucher und/oder an die Ladeeinheit gekoppelt werden, wobei erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, dass der jeweilige Energiespeicher zwischen wenigstens zwei wenigstens dreistufigen Umschaltern zwischen zwei Hauptleitungen der Energiespeichermanagementanordnung verschaltet wird, wobei wenigstens eine Teilmenge der Energiespeicher in Parallelanordnung geschaltet werden, oder eine erste Teilmenge in Parallelanordnung und eine zweite Teilmenge in serieller Anordnung geschaltet werden. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.
Das Verschalten kann insbesondere derart erfolgen, dass Teilentladungszyklen bei paralleler Verschaltung einzelner der Energiespeicher und/oder Vollentladungszyklen bei serieller Verschaltung einzelner der Energiespeicher realisierbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform werden Spannungssprünge beim Verschalten einzelner der Energiespeicher mittels eines Spannungsrampenfilters ausgeglichen, insbesondere durch Verringern der Geschwindigkeit einer Spannungsänderung. Dies ermöglicht das Schalten weitgehend unabhängig vom Zustand der einzelnen Energiespeicher, selbst bei großen Unterschieden bezüglich Energieinhalt.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Verschalten unterbrechungsfrei über den Filter. Dies ermöglicht ein direktes Verschalten zu den gewünschten optimalen Zeitpunkten und vereinfacht nicht zuletzt auch die Steuerung eines Lade- oder Entladezyklus.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Verschalten basierend auf wenigstens einem Kriterium bzw. Wert/Betrag aus der Gruppe: vordefinierte Spannung bzw. Spannungsbereich, Temperatur bzw. Temperaturbereich, Stromstärke bzw. Bereich der Stromstärke, Ladezustand (SoC), Zeit oder Intervall, (Innen-)Widerstand, oder einem jeweiligen Maximal- oder Minimalwert. Wahlweise können alternativ oder zusätzlich auch Verbraucherkenndaten die Betriebsart bestimmen: Last, Stromaufnahme, Versorgungsspannung, Versorgungsstrom. Ein Beispiel liefert auch ein spezifischer Arbeitspunkt von Photovoltaikanlagen. Dies ermöglicht eine hohe Autonomie der Anordnung, bzw. eine Automatisierung auf vergleichsweise flexible Weise. Dabei kann das Verschalten auch derart erfolgen, dass einzelne oder alle Energiespeicher mit demselben Ladezustand bereitgestellt werden, was z.B. bei Speichersystemen interessant ist, die mittels Solar- oder Windenergie gespeist werden.
Dank hoher Autonomie, insbesondere sowohl hinsichtlich Laden als auch Entladen, ist die Anordung besonders gut geeignet für autarke Systeme.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt eine Langzeitversorgung wenigstens eines Verbrauchers durch automatisiertes Umschalten bzw. Verschalten von leeren oder teilentladenen Energiespeichern zu vollen oder vollständiger geladenen Energiespeichern, insbesondere unterbrechungsfrei. Dies ermöglicht auch, die Anordnung für Verbraucher einzusetzen, die kontinuierlich betrieben werden müssen und jedenfalls nicht stromlos bzw. nicht ohne Spannungsversorgung sein dürfen.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Verschalten derart, dass Energiespeicher mit geringerer Leistungsfähigkeit anstelle von Energiespeichern mit höhrer Leistungsfähigkeit an den jeweiligen Verbraucher gekoppelt werden. Dies ermöglicht auch die effiziente Weiterverwendung älterer, also weniger leistungsfähig gewordener Energiespeicher, ohne dass dies Nachteile auf die Leistungsfähigkeit der gesamten Anordnung hat. Dazu kann eine Recheneinheit bzw. die Steuerungseinrichtung den Energiebedarf des Verbrauchers ermitteln und die verfügbaren Energiespeicher derart verschalten, dass die Versorgung des Verbrauchers eben durch jene Energiespeicher sichergestellt wird, welche dazu noch eingerichtet sind. Mit anderen Worten: Besonders effiziente Enegiespeicher können geschont werden und für Verbraucher reserviert werden, welche eine besonders anspruchsvolle Energieversorgung erfordern.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Verschalten derart, insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit, dass Teilzyklen bei paralleler Entladung mehrerer Energiespeicher oder Vollzyklen bei sequentieller Entladung mehrerer Energiespeicher realisiert werden.
Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch Verwendung einer Verschaltungseinrichtung in einer Energiespeichermanagementanordnung zum Verschalten einzelner Energiespeicher mit wenigstens einem Verbraucher einerseits und mit einer Ladeeinheit andererseits, wobei die Verschaltungseinrichtung je Energiespeicher eine Energiespeichereinheit bildet, welche zwischen wenigstens zwei wenigstens dreistufigen Umschaltern zwischen zwei Hauptleitungen der Energiespeichermanagementanordnung angeordnet wird und über wenigstens eine schaltbare Leitung mit einer der weiteren Energiespeichereinheiten derart verbunden wird, dass eine beliebige Teilmenge der Energiespeicher in Parallelanordnung verschaltbar ist, insbesondere Verwendung in einer zuvor beschriebenen Energiespeichermanagementanordnung, bevorzugt umfassend einen zwischen der Ladeeinheit und den Energiespeichern angeordneten Spannungsrampenfilter. Dies liefert zuvor genannte Vorteile. In Verbindung mit einem Spannungsrampenfilter kann ein Ausgleichen von Spannungssprüngen beim Verschalten der einzelnen Energiespeicher oder beim Umschalten zwischen den einzelnen Energiespeichern auf besonders effektive Weise erfolgen.
In den nachfolgenden Zeichnungsfiguren wird die Erfindung noch näher beschrieben, wobei für Bezugszeichen, die nicht explizit in einer jeweiligen Zeichnungsfigur beschrieben werden, auf die anderen Zeichnungsfiguren verwiesen wird. Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung bzw. Anordnung bzw. Beschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit einem Filter für Spannungs- und Stromrampen;
2 in schematischer Darstellung eine Energiespeichermanagementanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit 3-stufigem Umschalter und mit sechs in Serie geschalteten Energiespeichern;
3 in schematischer Darstellung eine Energiespeichermanagementanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit 3-stufigem Umschalter und mit sechs parallel geschalteten Energiespeichern;
4, 5 jeweils in schematischer Darstellung eine Energiespeichermanagementanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit 3-stufigem Umschalter und mit zwei Gruppen von in Serie geschalteten Energiespeichern, welche Gruppen parallel zueinander geschaltet sind;
6, 7 jeweils in schematischer Darstellung eine Energiespeichermanagementanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit 3-stufigem Umschalter, in einer weiteren Anordnung bzw. Beschaltung relativ zueinander;
8 in schematischer Darstellung eine Energiespeichermanagementanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
9, 10 und 11 jeweils in schematischer Darstellung einzelne Schritte eines Verfahrens zum Steuern der Energieversorgung zu miteinander verschalteten Energiespeichern bzw. zu wenigstens einem Verbraucher gemäß Ausführungsformen, insbesondere mittels einer Energiespeichermanagementanordnung gemäß den Ausführungsbeispielen.

In der 1 ist eine Energiespeichermanagementanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, welche einen Spannungsrampenfilter 11 aufweist, der mehrere Kapazitäten C1, C2 bzw. Kondensatoren und mehrere Induktivitäten L1, L2, L3 bzw. Spulen umfasst, und der zwischen einem Verbraucher 18 (Potential P+, P-) und verschalteten Energiespeichern B1,..., Bn angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel sind sechs (wahlweise baugleiche) Energiespeicher B1 bis B6 zwischen zwei Hauptleitungen 12a, 12b der Energiespeichermanagementanordnung 10 angeordnet und miteinander wahlweise seriell und/oder parallel verschaltbar, insbesondere auch teilweise in Untergruppen. Die Energiespeicher B1 bis B6 sind über einen zweistufigen Schalter 13 (auf/zu) mit dem Filter 11 bzw. mit dem Verbraucher verbindbar.
Die Energiespeichermanagementanordnung 10 weist eine Vielzahl von Umschaltern bzw. Umschalter-Gruppen S1 bis S12 auf. Die Energiespeicher B1,..., Bn sind mittels der Umschalter S1 bis S12 miteinander und mit einem jeweiligen Hauptleitungsabschnitt 12a, 12b verbunden, an welcher eine Eingangsspannung B+ bzw. eine Ausgangsspannung B- anliegt. Jeder Energiespeicher ist zwischen drei oder vier dieser Umschalter angeordnet. Jeder Energiespeicher ist mit einer ersten Verbindungsleitung 14a an einen der mit dem ersten Hauptleitungsabschnitt 12a verbundenen Umschalter S1, S3, S5, S7, S9, S11 gekoppelt, und mit einer zweiten Verbindungsleitung 14b (insbesondere am anderen Pol des Energiespeichers) an einen mit dem zweiten Hauptleitungsabschnitt 12b verbundenen Umschalter S2, S4, S6, S8, S10, S12 gekoppelt. Eine Leitungsbrücke 14a.1 koppelt einen der Pole des jeweiligen Energiespeichers an einen weiteren der mit dem ersten Hauptleitungsabschnitt 12a verbundenen Umschalter. Über eine dritte Verbindungsleitung 14c sind einige der Energiespeicher auch mit dem anderen Pol an einen mit dem zweiten Hauptleitungsabschnitt 12b verbundenen Umschalter bzw. an den zweiten Hauptleitungsabschnitt 12b gekoppelt.
Jeder Energiespeicher bildet mit einem Trio dieser Umschalter (oder einer noch höheren Anzahl, insbesondere vier Umschaltern) eine zwischen den Hauptleitungen 12a, 12b verschaltbare Energiespeichereinheit 16; 16.1, ..., 16.n (wobei sich das Bezugszeichen 16.n auf einen nicht dargestellten letzten Energiespeicher der Vielzahl der Energiespeicher bezieht). Die Energiespeichereinheiten 16 sind in einer Kaskade von n (bzw. hier sechs) Energiespeichern zwischen den Hauptleitungen 12a, 12b verschaltet. Somit kann ein jeweiliger Energiespeicher jeweils zwischen einem Umschalter oder einem Paar Umschaltern zum ersten Hauptleitungsabschnitt und einem Umschalter oder einem Paar Umschaltern zum zweiten Hauptleitungsabschnitt verschaltet werden. Jeder Energiespeicher ist über drei oder vier Kontaktpunkte an die beiden Hauptleitungen gekoppelt.
Die Umschalter S1, ..., S12, der zwei- bzw. dreistufige Schalter 13, der Filter 11 sowie die entsprechenden Leitungsabschnitte bilden Komponenten einer Verschaltungseinrichtung 15 eingerichtet zum parallelen und seriellen Verschalten einzelner der Energiespeicher.
Der jeweilige Umschalter S1 bis S12 ist als dreistufiger Schalter ausgeführt sowie jeweils an eine der Hauptleitungen 12a, 12b gekoppelt und (wahlweise) auch an einen der weiteren Umschalter gekoppelt, wobei eine Schaltstellung zur Hauptleitung einer Parallelanordnung der entsprechenden Energiespeicher entspricht, und wobei eine Schaltstellung zum weiteren Umschalter einer seriellen Verschaltung der entsprechenden Energiespeicher entspricht. In einer Zwischenstellung ist der Umschalter offen, also entsprechend einer Stellung ohne Verschaltung der entsprechenden Energiespeicher. Der dreistufige Umschalter bzw. dessen drei Stufen 0, 1 und 2 können z.B. durch eine Relais- bzw. Halbleitereinrichtung, insbesondere Mosfet, realisiert werden.
Der Spannungsrampenfilter 11 ermöglicht ein Schalten ohne nachteilige Spannungs- oder Stromspitzen. Der Spannungsrampenfilter 11 kann als Hochleistungsfilter für Spannungs- und Stromrampen ausgebildet sein.
Im Folgenden sind die bei einer jeweiligen Art der Verschaltung stromführenden Leitungen jeweils mit Bezugsziffern versehen, und die stromlosen Leitungen weisen keine Bezugsziffern auf.
In der 2 sind alle Energiespeicher B1 bis B6 in Serie geschaltet (B1 /S/ B2 /S/ B3 /S/ B4 /S/ B5 /S/ B6). Die Umschalter S1 und S12 stehen auf P („parallel“), und die Umschalter S3, S5, S7, S9, S11 sind offen, und die Umschalter S2, S4, S6, S8, S10 stehen auf S („seriell“). Die Ausgangsspannung B+ ist so groß wie die Summe aller Teilspannungen des jeweiligen Energiespeichers. Die Kapazität ist so groß wie die Einzelkapazität der Energiespeicher.
In der 3 sind alle Energiespeicher B1 bis B6 parallel geschaltet (B1 // B2 // B3 // B4 // B5 // B6). Die Umschalter S1, S3, S5, S7, S9, S11 stehen auf P („parallel“), und die Umschalter S2, S4, S6, S8, S10, S12 stehen ebenfalls auf P („parallel“). Die Ausgangsspannung B+ ist so groß wie die Einzelspannung der Energiespeicher. Die Kapazität ist so groß wie die Summe aller Teilkapazitäten des jeweiligen Energiespeichers. Die Leitungen 14c sind stromlos.
In der 4 sind Energiespeicher B1 und B3 in Serie und Energiespeicher B4 und B6 ebenfalls in Serie geschaltet, und die Gruppe B1, B3 ist parallel zur Gruppe B4, B6 geschaltet (B1 /S/ B3) // (B4 /S/ B6). Die Energiespeicher B2 und B5 sind unbeschaltet. Die Umschalter S1, S6, S7 und S12 stehen auf P („parallel“), und die Umschalter S3, S4, S9, S10 sind offen, und die Umschalter S2, S5, S8, S11 stehen auf S („seriell“). Die Ausgangsspannung B+ entspricht der zweifachen Einzelspannung der Energiespeicher. Zwischen den Umschaltern S3 und S5 wird die Leitungsbrücke 14a.1 bestromt, ebenso zwischen den Umschaltern S9 und S11. Der Energiespeicher B3 kann sowohl über die Leitung 14a als auch über die Leitung 14c konnektiert bzw. bestromt werden, und zwar mittelbar über die vom vorhergehenden Energiespeicher B2 kommende Leitungsbrücke 14a.1. Ebenso Energiespeicher B6. Bei der in 4 dargestellten Verschaltung sind beide Pole (Eingangspol und Ausgangspol) des Energiespeichers B2 mit dem Eingangspol des benachbarten Energiespeichers B3 der Kaskade aus sechs Energiespeichern koppelbar.
In der 5 sind Energiespeicher B1 bis B3 in Serie und Energiespeicher bzw. Gruppen B4 bis B6 ebenfalls in Serie geschaltet, und die Gruppe B1 bis B3 ist parallel zur Gruppe B4 bis B6 geschaltet (B1 /S/ B2 /S/ B3) // (B4 /S/ B5 /S/ B6). Die Umschalter S1, S6, S7 und S12 stehen auf P („parallel“), und die Umschalter S3, S5, S9, S11 sind offen, und die Umschalter S2, S4, S8, S10 stehen auf S („seriell“). Die Ausgangsspannung B+ entspricht der dreifachen Einzelspannung der Energiespeicher. Die Energiespeicher B1, B2 und B3 sind jeweils mittels der Leitungen 14b, 14c in Reihe geschaltet. Die Leitung 14c zwischen dem Umschalter S6 und dem Energiespeicher B4 ist stromlos, so dass die Energiespeicher B4, B5 und B6 als Teilgruppe parallel zur durch die Energiespeicher B1, B2 und B3 gebildeten Teilgruppe geschaltet sind.
6 zeigt eine weitere Schaltungsvariante (B1 /S/ B3 /S/ B5). Die Umschalter S1, S10 stehen auf P („parallel“), und die Umschalter S3, S4, S7, S8, S11, S12 sind offen, und die Umschalter S2, S5, S6, S9 stehen auf S („seriell“). Diese Verschaltung liefert die Möglichkeit, einzelne der Energiespeicher beim Laden oder Entladen von den weiteren Energiespeichern selektiv zu entkoppeln, und zwar bei einer seriellen Verschaltung. Zwischen den Umschaltern S3 und S5 sowie zwischen den Umschaltern S7 und S9 wird die Leitungsbrücke 14a.1 bestromt. Der Energiespeicher B2 bzw. B4 bzw. B6 ist von den weiteren Energiespeichern B1 bis B5 entkoppelt worden, indem die jeweilige Leitungsbrücke 14a.1 als Bypass vorbei am Energiespeicher B2 bzw. B4 verwendet wird.
7 zeigt eine weitere Schaltungsvariante (B1 // B3 // B5). Die Umschalter S1, S2, S5, S6, S9, S10 stehen auf P („parallel“), und die Umschalter S3, S4, S7, S8, S11, S12 sind offen. Diese Verschaltung liefert ebenfalls die Möglichkeit der Entkopplung einzelner der Energiespeicher, und zwar bei Parallelschaltung. Die in den 6 und 7 gezeigten Verschaltungen sind mittels derselben Verschaltungseinrichtung 15 realisierbar bzw. miteinander kombinierbar.
Diese Ausführungsbeispiele zeigen einzelne von zahlreichen Varianten einer Beschaltung, die individuell sowohl seriell als auch parallel konfiguriert werden kann, jeweils in Bezug auf einzelne Energiespeicher oder (Unter-)Gruppen. Die Anzahl der Energiespeicher ist dabei nur beispielhaft gewählt und kann selbstredend variiert werden.
In der 8 ist Energiespeichermanagementanordnung 10 für eine Vielzahl von Energiespeichern B1, B2, B3, ..., Bn und einen oder mehrere Verbraucher 4.1, ...., 4.n gezeigt, welche jeweils über eine Datenleitung 2 und eine Energieleitung 3 an eine Verschaltungseinrichtung 15 gekoppelt sind. Die Verschaltungseinrichtung 15 weist einen Spannungsrampenfilter 11 auf, welcher zwischen den Energiespeichern und dem Verbraucher bzw. der Ladeeinheit angeordnet ist. Die schematisch dargestellten Leitungen zwischen den Energiespeichern B1, B2 und dem Filter 11 können dabei die zuvor beschriebenen Leitungen 14a, 14b, 14c, 14a.1 umfassen, wahlweise auch weitere Leitungen. An einer Anzeigeeinrichtung 17 bzw. einer Mensch-Maschine-Schnittstelle können Daten ein- und ausgegeben werden. Eine Recheneinheit 20 ist über eine Datenleitung mit der Verschaltungseinrichtung 15 verbunden, und dadurch mittelbar oder aber direkt auch mit einem jeweiligen Verbraucher, der Ladeeinheit und/oder den Energiespeichern.
In der 9 ist ein Verfahren zum Steuern der Energieversorgung umfassend ein Verschalten gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht. Im Schritt V2 erfolgt eine Auswahl der Art der Verschaltung nach manueller oder automatischer Vorgabe. Im Schritt V3 erfolgt eine Datenein-/ausgabe einer an Mensch-Maschine-Schnittstelle oder zwischen einzelnen Komponenten der Energiespeichermanagementanordnung 10. Im Schritt V1, der alternativ oder zusätzlich auch an anderer Position vor oder hinter den Schritten V2, V3 anordenbar ist, erfolgt ein Identifizieren von angeschlossenen bzw. verschalteten Energiespeichern. An einem ersten Regelungspunkt R1 erfolgt eine Abfrage bezüglich Ladeanforderungen. Sind die Ladeanforderungen bei einem bestimmten Energiespeicher erfüllt, so beginnt im Schritt V5 der Ladevorgang. Sind die Ladeanforderungen bei einem bestimmten Energiespeicher nicht erfüllt, beispielsweise weil der Ladezustand ausreichend hoch ist, so wird in einem zweiten Regelungspunkt R2 geprüft, ob der jeweilige Energiespeicher einen Verbraucher versorgen kann/soll. Falls nein, beginnt für diesen Energiespeicher die Abfrage wieder im Schritt V2. Falls ja, wird in einem dritten Regelungspunkt R3 geprüft, ob der jeweilige Energiespeicher bezüglich der Anforderungen des Verbrauchers geeignet ist. Falls nein, beginnt für diesen Energiespeicher die Abfrage wieder im Schritt V2. Falls ja, wird der entsprechende (wenigstens eine) Energiespeicher mit dem Verbraucher verschaltet (Schritt V6), und daraufhin werden der/die Verbraucher mit Energie versorgen, bzw. verschaltete Energiespeicher mit wenigstens einem Verbraucher gekoppelt (Schritt V7).
Der Ladevorgang selbst kann mit der Regelschleife R3 überwacht und beendet werden, sobald bestimmte Ladeanforderungen oder Anforderungen seitens eines Verbrauchers erfüllt sind.
In der 10 ist der Verfahrensschritt des Ladens gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht. Im Schritt V3 kann signalisiert werden, dass ein Ladevorgang gestartet wird. Das Laden V5 kann mit einem Schritt V5.1 beginnen, welcher die Auswahl einer Leitung bzw. eines Energiespeichers und das Verbinden mit der Ladeeinheit umfasst. Daraufhin kann im Schritt V5.2 eine Energiezufuhr zum Energiespeicher erfolgen. In der Regelschleife bzw. am Regelungspunkt R3 kann eine Abfrage dahingehend erfolgen, ob bestimmte Ladeanforderungen erfüllt sind. In einem weiteren Schritt V5.3 kann der Ladevorgang beendet werden, umfassend das Entkoppeln des Energiespeichers von der Ladeeinheit.
In der 11 ist ein Verfahren zum Steuern der Energieversorgung durch ein Verschalten gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht. Nach dem Schritt V2 kann an einem Regelungspunkt R6 die Art der Verschaltung einzelner der Energiespeicher bzw. von Untergruppen der Energiespeicher eingestellt werden, sei es eine serielle Verschaltung (S), eine parallele Verschaltung (P), oder Kombinationen daraus (S/P). Soll eine serielle Verschaltung (S) erfolgen, so kann im Schritt V6.1 das Definieren eines max. Schwellwertes für die Spannung verschalteter Energiespeicher erfolgen, bevor im Schritt V6.2 ein Verschalten der Energiespeicher gemäß manueller oder automatischer Vorgaben, insbesondere gemäß den in Schritt V2 gemachten Vorgaben erfolgt. Im Schritt V6.3 kann en Zuschalten oder Umschalten von Energiespeichern oder Gruppen von Energiespeichern jeweils über den Spannungsrampenfilter 11 erfolgen. Im Schritt V6.4 kann ein Definieren eines max. Schwellwertes für den Strom verschalteter Energiespeicher erfolgen. Im Schritt V6.5 kann ein Identifizieren und Freigeben entladener Energiespeicher zum Laden erfolgen, bzw. ein Trennen des jeweiligen Energiespeichers von den verschalteten weiteren Energiespeichern.
Die in den 10, 11 gezeigten Schritte können in den in 9 gezeigten Verfahrensablauf integriert sein/werden.
Bezugszeichenliste

2: Datenleitung
3: Energieleitung
4.1, .... , 4.n: Verbraucher

10: Energiespeichermanagementanordnung
11: Filter, insbesondere Spannungsrampenfilter bzw. Hochleistungsfilter für Spannungs- und Stromrampen
12a, 12b: Hauptleitung bzw. Hauptleitungsabschnitte für verschaltete Energiespeicher
13: zweistufiger Schalter (auf/zu) zum Koppeln der Energiespeicher mit dem Filter bzw. der Ladeeinheit
14a, 14b, 14c: erste bzw. zweite bzw. dritte Verbindungsleitung
14a.1: Leitungsbrücke
15: Verschaltungseinrichtung
16; 16.1, ..., 16.n: verschaltbare Energiespeichereinheit
17: Monitor oder Anzeigeeinrichtung oder Mensch-Maschine-Schnittstelle
18: Ladeeinheit bzw. Energiequelle
20: Recheneinheit

P+, P-: Potential bzw. Load am Verbraucher oder an der Ladeeinheit
B+: Eingang bzw. Eingangsspannung miteinander verschalteter Energiespeicher, bzw. Anschluss für ersten Hauptleitungsabschnitt
B-: Ausgang bzw. Ausgangsspannung miteinander verschalteter Energiespeicher, bzw. Anschluss für zweiten Hauptleitungsabschnitt
B1, B2, B3, B4, B5, B6, ...,: Bn Energiespeicher bzw. Batterie bzw. Akku

R1: erster Regelungspunkt, insbesondere für Abfrage bezüglich Ladeanforderungen
R2: zweiter Regelungspunkt, insbesondere für Abfrage bezüglich Verbrauchern
R3: dritter Regelungspunkt, insbesondere für Abfrage bezüglich erfüllter Ladeanforderungen oder bezüglich Anforderungen seitens eines Verbrauchers
R6: Regelungspunkt für Verschaltung der Energiespeicher
S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, S12: dreistufiger
: Umschalter bzw. Umschalter- Gruppe (auf /P/ für Parallelanordnung oder /S/ für serielle Anordnung)
V1: Identifizieren von Energiespeichern
V2: Auswahl der Art der Verschaltung nach manueller oder automatischer Vorgabe
V3: Datenein-/ausgabe an Schnittstelle zu Mensch oder Maschine
V5: Ladevorgang
V5.1: Auswahl einer Leitung bzw. eines Energiespeichers und Verbinden mit Ladeeinheit
V5.2: Energiespeicher laden bzw. mit Energie beliefern
V5.3: Ladevorgang beenden bzw. Entkoppeln des Energiespeichers
: von der Ladeeinheit
V6: Verschalten von Energiespeichern
V6.1: Definieren eines max. Schwellwertes für die Spannung verschalteter Energiespeicher
V6.2: Verschalten der Energiespeicher gemäß manueller oder automatischer Vorgabe, insbesondere gemäß V2
V6.3: Zuschalten oder Umschalten von Energiespeichern oder Gruppen von Energiespeichern jeweils über einen Spannungsrampenfilter
V6.4: Definieren eines max. Schwellwertes für den Strom verschalteter Energiespeicher
V6.5: Identifizieren und Freigeben entladener Energiespeicher zum Laden, bzw. Trennen des jeweiligen Energiespeichers von den verschalteten weiteren Energiespeichern
V7: Verbraucher mit Energie versorgen, bzw. verschaltete Energiespeicher mit wenigstens einem Verbraucher koppeln

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

EP 2452391 A1 [0003]
US 20100225267 A1 [0004]
US 7956579 B2 [0004]
US 7893561 B2 [0005]
US 7456521 B2 [0006]
US 20130119935 A1 [0007]
US 5243269 A [0008]

Claims

Energiespeichermanagementanordnung (10) eingerichtet zur Energieversorgung einerseits zwischen einer Ladeeinheit (18) und einer Vielzahl von parallel oder seriell miteinander verschaltbaren Energiespeichern (B1, ..., Bn) und andererseits zwischen den Energiespeichern und wenigstens einem Verbraucher (4.1), mit einer mit den Energiespeichern verbundenen sowie mit dem wenigstens einen Verbraucher und der Ladeeinheit verbindbaren Verschaltungseinrichtung (15); dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltungseinrichtung je Energiespeicher wenigstens zwei wenigstens dreistufige Umschalter (S1,..., S12) umfasst, mittels welchen der jeweilige Energiespeicher an die Ladeeinheit oder an den Verbraucher koppelbar ist, wobei die Umschalter derart angeordnet sind, dass die Energiespeichermanagementanordnung (10) für eine Teilbeschaltung einer Teilmenge der Energiespeicher (B1, ..., Bn) in Parallelanordnung eingerichtet ist, oder für eine Teilbeschaltung einer ersten Teilmenge in Parallelanordnung und einer zweiten Teilmenge in serieller Anordnung.
Energiespeichermanagementanordnung nach Anspruch 1, wobei ein Pol wenigstens eines der Energiespeicher, insbesondere einer Anzahl von n-1 Energiespeichern, mit zwei Umschaltern (S1, S3) verbunden ist, die jeweils an eine von zwei Hauptleitungen (12a) der Energiespeichermanagementanordnung koppelbar sind; und/oder wobei die Verschaltungseinrichtung (15) derart mit den Energiespeichern (B1, ..., Bn) verschaltbar ist, dass einzelne der Energiespeicher, insbesondere jeder Energiespeicher mit einem Trio (S1, S2, S3; S2, S3, S4; ...) der dreistufigen Umschalter eine zwischen Hauptleitungen (12a, 12b) der Energiespeichermanagementanordnung verschaltbare Energiespeichereinheit (16; 16.1, 16.2, ..., 16.n) bildet, welche Energiespeichereinheiten jeweils in Parallelanordnung schaltbar sind und in beliebiger Anzahl zwischen den Hauptleitungen kaskadierbar sind; und/oder wobei beide Pole wenigstens eines der Energiespeicher, insbesondere jedes Energiespeichers mit dem Eingangspol eines der weiteren Energiespeicher koppelbar sind.
Energiespeichermanagementanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei einzelne der Energiespeicher, insbesondere eine Anzahl von n-1 Energiespeichern, zwischen drei oder vier der dreistufigen Umschalter angeordnet sind; und/oder wobei die Anzahl der dreistufigen Umschalter gleich der doppelten Menge der verschaltbaren Energiespeicher ist; und/oder wobei einzelne der Energiespeicher, insbesondere jeder Energiespeicher an einen mit einem ersten Hauptleitungsabschnitt (12a) der Energiespeichermanagementanordnung verbundenen dreistufigen Umschalter (S1, S3, S5, S7, S9, S11) sowie an einen mit einem zweiten Hauptleitungsabschnitt (12b) der Energiespeichermanagementanordnung verbundenen dreistufigen Umschalter (S2, S4, S6, S8, S10, S12) gekoppelt sind; und/oder wobei die Energiespeichermanagementanordnung eine Kaskade von Energiespeichern verschaltet, indem die Energiespeicher jeweils zwischen zwei Hauptleitungen verschaltet sind, welche Hauptleitungen jeweils über einen der Energiespeicher und zwei der Umschalter miteinander koppelbar sind.
Energiespeichermanagementanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verschaltungseinrichtung (15) oder eine/die jeweilige Energiespeichereinheit (16) der Energiespeichermanagementanordnung wenigstens eine Leitungsbrücke (14a, 14a.1) aufweist, welche einen der Pole eines jeweiligen Energiespeichers an einen ersten und einen zweiten der mit einem/dem ersten Hauptleitungsabschnitt (12a) der Energiespeichermanagementanordnung verbundenen dreistufigen Umschalter (S1, S3) koppelt; und/oder wobei die Verschaltungseinrichtung oder eine/die jeweilige Energiespeichereinheit der Energiespeichermanagementanordnung wenigstens eine Verbindungsleitung (14a, 14c) aufweist, welche einen Pol eines jeweiligen Energiespeichers an zwei jeweils mit einer der beiden Hauptleitungen (12a, 12b) der Energiespeichermanagementanordnung verbundene dreistufige Umschalter (S1, S2) koppelt.
Energiespeichermanagementanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Spannungsrampenfilter (11), welcher zwischen der Ladeeinheit und den Energiespeichern vorgesehen oder anordenbar ist, und welcher eingerichtet ist, Spannungssprünge beim Verschalten einzelner der Energiespeicher zu filtern oder auszugleichen.
Energiespeichermanagementanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein/der Spannungsrampenfilter (11) der Energiespeichermanagementanordnung (10) in die Verschaltungseinrichtung (15) integriert ist; und/oder wobei der Spannungsrampenfilter in einem Schaltkreisabschnitt zwischen dem wenigstens einen Verbraucher (4.1) und den einzelnen Energiespeichern angeordnet ist, welcher Schaltkreisabschnitt zwischen den einzelnen Energiespeichern umschaltbar ist; und/oder wobei der Spannungsrampenfilter mittels eines Schalters (13) von einer Hauptleitung der Energiespeichermanagementanordnung oder von den Energiespeichern entkoppelbar ist.
Energiespeichermanagementanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiespeichermanagementanordnung (10) eine Recheneinheit (20) aufweist, die in Verbindung mit den Umschaltern (S1, ..., S12) ist und mit einer/der Ladeeinheit (18) und wenigstens einem Verbraucher (4.1) koppelbar ist, und wobei die Verschaltungseinrichtung (15), insbesondere zusammen mit einem/dem Spannungsrampenfilter (11) der Energiespeichermanagementanordnung, bezüglich der jeweils geschalteten Energiespeicher eine Multiplexer-Anordnung bildet oder eine Multiplexer-Funktion beim Verschalten der Energiespeicher realisiert.
Verschaltungseinrichtung (15) zum Verschalten mehrerer parallel oder seriell miteinander verschaltbarer Energiespeicher (B1, ..., Bn) mit wenigstens einem Verbraucher (4.1) einerseits und mit einer Ladeeinheit (18) andererseits, wobei die einzelnen Energiespeicher mittels der Verschaltungseinrichtung vom wenigstens einen Verbraucher auf die Ladeeinheit oder umgekehrt umschaltbar sind, wobei die Verschaltungseinrichtung eingerichtet ist, den wenigstens einen Verbraucher, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Spannungsrampenfilters (11), mit einem jeweiligen Energiespeicher oder einer Teilmenge dieser Energiespeicher in Parallelanordnung zu verschalten und dabei Spannungssprünge auszugleichen, wobei die Verschaltungseinrichtung insbesondere zur Verwendung in einer Energiespeichermanagementanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Verfahren zur Steuerung der Energieversorgung einerseits zwischen einer Ladeeinheit (18) und einer Vielzahl von parallel oder seriell miteinander verschaltbaren Energiespeichern (B1, ..., Bn) und andererseits zwischen den Energiespeichern und wenigstens einem Verbraucher (4.1) mittels einer Energiespeichermanagementanordnung, insbesondere einer Energiespeichermanagementanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei einzelne der parallel oder seriell miteinander verschalteten Energiespeicher mittels einer Verschaltungseinrichtung (15) an den wenigstens einen Verbraucher oder an die Ladeeinheit gekoppelt werden, dadurch gekennz eichnet, dass der jeweilige Energiespeicher zwischen wenigstens zwei wenigstens dreistufigen Umschaltern (S1, ..., S12) zwischen zwei Hauptleitungen (12a, 12b) der Energiespeichermanagementanordnung verschaltet wird, wobei wenigstens eine Teilmenge der Energiespeicher in Parallelanordnung geschaltet werden, oder eine erste Teilmenge in Parallelanordnung und eine zweite Teilmenge in serieller Anordnung geschaltet werden.
Verwendung einer Verschaltungseinrichtung (15) in einer Energiespeichermanagementanordnung zum Verschalten einzelner Energiespeicher (B1, ..., Bn) mit wenigstens einem Verbraucher (4.1) einerseits und mit einer Ladeeinheit (18) andererseits, wobei die Verschaltungseinrichtung je Energiespeicher eine Energiespeichereinheit (16) bildet, welche zwischen wenigstens zwei wenigstens dreistufigen Umschaltern (S1, ..., S12) zwischen zwei Hauptleitungen (12a, 12b) der Energiespeichermanagementanordnung angeordnet wird und über wenigstens eine schaltbare Leitung (14a, 14b, 14c, 14a.1) mit einer der weiteren Energiespeichereinheiten derart verbunden wird, dass eine beliebige Teilmenge der Energiespeicher in Parallelanordnung verschaltbar ist, insbesondere Verwendung in einer Energiespeichermanagementanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die Verschaltungseinrichtung bevorzugt umfassend einen zwischen der Ladeeinheit und den Energiespeichern angeordneten Spannungsrampenfilter (11).