DE102020004748A1 - Verfahren zum sicheren Betreiben eines elektrischen Energiespeichers einer Energiespeichervorrichtung, sowie eine entsprechende Energiespeichervorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines Wechselrichters (4) einer Energiespeichervorrichtung (1), wobei- eine Batteriespannung (UBatt) eines elektrischen Energiespeichers (2) der Energiespeichervorrichtung (1) in eine Zwischenkreisspannung (UZK) umgewandelt wird,- die Zwischenkreisspannung (UZK) mit einem Wechselrichter (4) der Energiespeichervorrichtung (1) in eine Wechselspannung(UAC) umgewandelt wird, wobei- ein erstes Potential (V+) und ein zweites Potential (V-) des Wechselrichter (4) mit einem Bezugspotential (PE) verbunden werden, wobei- das erste Potential (V+) und das zweite Potential (V-) derart eingestellt werden, dass das erste Potential (V+) und das zweite Potential (V-) zueinander unsymmetrisch sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Energiespeichervorrichtung (1).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines elektrischen Energiespeichers einer Energiespeichervorrichtung, wobei eine Batteriespannung eines elektrischen Energiespeichers der Energiespeichervorrichtung in eine Zwischenkreisspannung umgewandelt wird. Die Zwischenkreisspannung wird mit einem Wechselrichter der Energiespeichervorrichtung in eine Wechselspannung umgewandelt, wobei ein erstes Potential und ein zweites Potential des Wechselrichters mit einem Bezugspotential verbunden werden.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, mit einem elektrischen Energiespeicher zum Bereitstellen einer Batteriespannung, und einem Gleichspannungswandler zum Wandeln der Batteriespannung in eine Zwischenkreisspannung. Die Energiespeichervorrichtung weist einen Wechselrichter zum Wandeln der Zwischenkreisspannung in eine Wechselspannung auf, wobei ein erstes Potential und ein zweites Potential des Wechselrichters mit einem Bezugspotential verbunden sind.
• Beispielsweise werden Batterien oder Akkumulatoren zum Einsatz in Batterie-Speicherkraftwerken verwendet. Diese dienen insbesondere zur Energiespeicherung als stationäre Einheit. Ein Batterie-Speicherkraftwerk dient primär zur Einbringung von Systemdienstleistungen. Insbesondere ist eine Anwendung die Netzstabilisierung in öffentlichen Versorgungsnetzen.
• Insbesondere können Energiespeichervorrichtungen zum Speichern von nicht genutzter erneuerbarer Energie, wie aus Wind- und Solarstromkraftwerken, verwendet werden. Beispielsweise kann die Energiespeichervorrichtung für eine schnelle Reaktionsfähigkeit bei der Frequenzstabilisierung und zur Spannungsregulierung in Wechselspannungsnetzen eingesetzt werden.
• Insbesondere können Fahrzeugbatterien für stationäre, industrielle Energiespeicher verwendet werden.
• Dabei tritt das Problem auf, dass Fahrzeugbatterien häufig eine Bemessungsisolationsspannung von 500 Volt oder weniger aufweisen. Diese Fahrzeugbatterien können nur mit Wechselrichtern (AFE) mit entsprechend geringer Zwischenkreisspannung verwendet werden.
• Die EP 3 618 142 A1 offenbart ein Sicherungssystem für ein Batteriespeichersystem.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Fahrzeugbatterien in industriellen und/oder stationären Speichervorrichtungen verwenden zu können, ohne dass es zu einer Limitierung der Zwischenkreisspannung eines Wechselrichters der Speichereinrichtung kommt.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Energiespeichervorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines elektrischen Energiespeichers einer Energiespeichervorrichtung, wobei eine Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers der Energiespeichervorrichtung in eine Zwischenkreisspannung umgewandelt wird. Die Zwischenkreisspannung wird mit einem Wechselrichter der Energiespeichervorrichtung in eine Wechselspannung umgewandelt, wobei ein erstes Potential und ein zweites Potential des Wechselrichters mit einem Bezugspotential verbunden werden. Das erste Potential und das zweite Potential werden derart eingestellt, dass das erste Potential und das zweite Potential zueinander unsymmetrisch sind.
• Durch das vorgeschlagene Verfahren können Fahrzeugbatterien für stationäre Speichereinrichtungen effektiver genutzt werden. Insbesondere kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens der Wirkungsgrad des Wechselrichters der Energiespeichervorrichtung erhöht werden. Somit kann eine Energiespeichervorrichtung effizienter verwendet werden. Insbesondere können mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens Wechselrichter mit höheren Zwischenkreisspannungen für die Energiespeichervorrichtung verwendet werden. Somit kann die Energiespeichervorrichtung kompatibler und vielfältiger genutzt werden. Somit kann insbesondere eine umfangreichere Auswahl von leistungselektronischen Komponenten für die Energiespeichervorrichtung verwendet werden.
• Insbesondere können durch das vorgeschlagene Verfahren Batteriespeichervorrichtungen und/oder Batteriespeichersysteme mit „automotive Batterien“ bestückt werden, wodurch es zu wirtschaftlicheren und kosteneffizienteren Vorteilen kommt.
• Insbesondere kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens eine erweiterte Verwendbarkeit von 400 Volt-Fahrzeugbatterien in industriellen Batteriespeichern erreicht werden.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, mit einem elektrischen Energiespeicher zum Bereitstellen einer Batteriespannung. Die Energiespeichervorrichtung weist einen Gleichspannungswandler zum Wandeln der Batteriespannung in eine Zwischenkreisspannung auf. Ebenso weist die Energiespeichervorrichtung einen Wechselrichter zum Wandeln der Zwischenkreisspannung in eine Wechselspannung auf. Ein erstes Potential und ein zweites Potential des Wechselrichters sind mit einem Bezugspotential verbunden. Mit einer Stelleinheit der Energiespeichervorrichtung sind das erste Potential und das zweite Potential derart einstellbar, dass das erste Potential und das zweite Potential zueinander unsymmetrisch sind.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Dabei zeigen die beiden 1 und 2 jeweils ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung.
• In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
• Die 1 zeigt insbesondere eine Energiespeichervorrichtung 1. Bei der Energiespeichervorrichtung 1 kann es sich beispielsweise um ein Batteriesystem oder eine Batterievorrichtung oder ein Batterie-Speicherkraftwerk oder eine stationäre Speichervorrichtung oder um einen industriellen Batteriespeicher handeln.
• Die Energiespeichervorrichtung 1 weist insbesondere einen elektrischen Energiespeicher 2 auf. Bei dem elektrischen Energiespeicher 2 kann es sich beispielsweise um eine Batterie oder um einen Akkumulator oder um eine Fahrzeugbatterie oder um eine Traktionsbatterie oder um eine Batterieanordnung handeln. Mit Hilfe des elektrischen Energiespeichers 2 kann insbesondere eine Batteriespannung U_Batt bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Energiespeichervorrichtung 1 mit verschiedenen elektrischen Energiespeichern 2 ausgestattet werden. Je nach Anwendungsfall können die elektrischen Energiespeicher ausgetauscht werden.
• Die Energiespeichervorrichtung 1 weist des Weiteren einen Gleichspannungswandler 3 auf. Mit dem Gleichspannungswandler 3 kann insbesondere die Batteriespannung U_Batt in eine Zwischenkreisspannung U_ZK umgewandelt werden. Bei dem Gleichspannungswandler 3 handelt es sich beispielsweise um einen Spannungswandler oder um einen DC/DC-Wandler oder um eine andere Wandlertopologie. Beispielsweise kann der Gleichspannungswandler 3 einen Hochsetzsteller und/oder einen Tiefsetzsteller aufweisen. Somit kann die Batteriespannung U_Batt je nach Anforderung in eine entsprechende Zwischenkreisspannung U_ZK mit einem beliebigen Spannungswert umgewandelt werden. Insbesondere ist der Gleichspannungswandler 3 direkt an den elektrischen Energiespeicher 2 angeschlossen.
• Die aus der Batteriespannung U_Batt gewandelte Zwischenkreisspannung U_ZK kann durch den Wechselrichter 4 in eine Wechselspannung U_AC umgewandelt werden. Mit dem Wechselrichter 4 kann insbesondere eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt werden. Insbesondere kann der Wechselrichter einen Dreiphasenwechselstrom bzw. eine Dreiphasenwechselspannung bzw. einen Drehstrom an einer Ausgangsseite bereitstellen.
• Ein erstes Potential V+ und ein zweites Potential V- des Wechselrichters 4 werden insbesondere mit einem Bezugspotential PE verbunden. Bei dem Bezugspotential PE handelt es sich insbesondere um ein Erdpotential oder um Masse. Das erste Potential V+ und das zweite Potential V- sind insbesondere ein Minuspotential und ein Pluspotential des Wechselrichters 4.
• Insbesondere wird das erste Potential V+ über einen ersten Widerstand R1 und das zweite Potential V- über einen zweiten Widerstand R2 mit dem Bezugspotential PE verbunden.
• Beispielsweise kann mit einer Stelleinheit der Energiespeichervorrichtung 1 das erste Potential V+ und das zweite Potential V- derart eingestellt werden, dass das erste Potential V+ und das zweite Potential V- zueinander unsymmetrisch sind. Durch die unsymmetrische Verteilung des ersten Potentials V+ und des zweiten Potentials V- kann erreicht werden, dass mit dem Gleichspannungswandler 3 eine höhere Zwischenkreisspannung U_ZK bereitgestellt werden kann, ohne das die Bemessungsisolationsspannung des Energiespeichers 4 unzulässig überschritten wird. Dies ist insbesondere auch dann möglich, wenn die Zwischenkreisspannung U_ZK des Wechselrichters 4 mehr als den doppelten Wert der Bemessungsisolationsspannung des elektrischen Energiespeichers 2 annimmt. Somit kann das Limit beziehungsweise ein Grenzwert für die Zwischenkreisspannung U_ZK höher gewählt werden.
• Beispielsweise wird die Asymmetrie zwischen dem ersten Potential V+ und dem zweiten Potential V- so erreicht, indem die beiden Widerstände R1 und R2 zum Bezugspotential unsymmetrisch gewählt werden. Beispielsweise kann eine Spannung über den ersten Widerstand R1 kleiner gleich der Zwischenkreisspannung U_ZK + der minimalen Batteriespannung U_Batt sein. Die Spannung über den zweiten Widerstand R2 kann kleiner gleich der Zwischenkreisspannung U_ZK sein. Somit kann die Zwischenkreisspannung U_ZK erhöht werden, ohne dass eine Batterieisolierung des elektrischen Energiespeichers 2 gefährdet wird.
• Bei den beiden Widerständen R1 und R2 kann es sich entweder um variabel einstellbare Widerstände oder um voreingestellte feste Widerstände handeln.
• Durch die asymmetrische Verteilung des ersten Potentials V+ und des zweiten Potentials V- kann erreicht werden, dass eine Spannung kleiner der halben Zwischenkreisspannung U_ZK über der Batterieisolierung des elektrischen Energiespeichers 2 abfällt.
• Insbesondere kann die Zwischenkreisspannung U_ZK über das Doppelte der gemessenen Isolationsspannung des elektrischen Energiespeichers 2 eingestellt werden. Somit kann der Wechselrichter 4 derart ausgewählt werden, dass dieser einen höheren Wirkungsgrad aufweist.
• Insbesondere kann somit die Zwischenkreisspannung U_ZK erhöht werden, ohne dass es zu sicherheitsrelevanten Problemen kommt. Insbesondere steigt die Auswahl an in Frage kommenden Wechselrichtertypen, was die Systemkosten senkt und so zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Energiespeichervorrichtungen mit „automotiven“ Batterien beiträgt.
• Ein wesentlicher Punkt für den sicheren Betrieb des elektrischen Energiespeichers 2 der Energiespeichervorrichtung 1 ist die Spannungsbegrenzung auf der Batterieseite der Energiespeichervorrichtung 1.
• Beispielsweise kann eine Spannung zwischen dem zweiten Potential V- und dem Bezugspotential PE gemessen werden. Insbesondere erfolgt dies über Spannungsmessungen 5. Die Spannungsmessungen 5 können Spannungsüberwachungsrelais mit Fensterüberwachungsfunktionen aufweisen. Dabei kann beispielsweise eine obere Fenstergrenze mit der Isolationsspannung des elektrischen Energiespeichers 2 definiert werden. Eine untere Fenstergrenze kann eine Differenz zwischen der Zwischenkreisspannung U_ZK und der Bemessungsisolationsspannung des elektrischen Energiespeichers 2 aufweisen. Bei der Verwendung von Spannungsüberwachungsrelais ist auf eine vorzeichenrichtige Spannungsmessung zu achten, da die Spannungsüberwachungsrelais nur in eine Polarität messen können.
• Ebenso denkbar ist, dass anstelle der Spannungsüberwachungsrelais mehrere Spannungssensoren verwendet werden. Dabei kann ein Spannungssensor die obere Fenstergrenze überwachen und ein weiterer Spannungssensor kann die untere Fenstergrenze überwachen.
• Insbesondere können die Spannungen mit der Spannungsmessung 5 kontinuierlich überwacht werden. Optional können die Spannungen mit einem Spannungsüberwachungsgerät gemessen und überwacht werden.
• Die gemessenen Spannungen können einer Sicherheitseinrichtung 6 übermittelt und somit ausgewertet bzw. bewertet werden.
• Falls die Spannungen die Bemessungsisolationsspannung des elektrischen Energiespeichers 2 überschreiten, dann kann optional die Energiespeichervorrichtung 1 deaktiviert werden. Insbesondere kann der elektrische Energiespeicher 2 abgetrennt beziehungsweise abgekoppelt werden. Dadurch können Schäden an der Energiespeichervorrichtung 1 verhindert werden.
• Um insbesondere eine effektive Abschaltkette zum Abschalten der Energiespeichervorrichtung 1 zu erreichen, sollten jeweils zwei Spannungsüberwachungsrelais pro Messstelle eingesetzt werden.
• Insbesondere weist der elektrische Energiespeicher 2 Batterieschütze auf. Es könnte passieren, dass die Batterieschütze zeitgleich geöffnet sind. Somit kann die Zwischenkreisspannung U_ZK an den Batteriepolen des elektrischen Energiespeichers 2 anliegen. Um dem entgegenzuwirken wird eine spannungsbegrenzende Sicherheitsfunktion (PLd, SIL 2) des Gleichspannungswandlers 3 verwendet. Somit kann mit Hilfe des Gleichspannungswandlers 3 eine Spannungsgrenze unterhalb der Bemessungsisolationsspannung eingestellt werden.
• Die 2 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Überwachung einer Spannung auf der Seite des elektrischen Energiespeichers 2 der Energiespeichervorrichtung 1 aus 1.
• Beispielsweise kann eine Spannung zwischen einem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers 2 und dem Bezugspotential PE und eine Spannung zwischen einem negativen Potential des elektrischen Energiespeichers 2 und dem Bezugspotential PE gemessen werden. Insbesondere erfolgt dies über Spannungsmessungen 5.
• Hier können für die Spannungsmessungen 5 Überspannungsüberwachungsrelais oder eine Spannungsbetragsüberwachung eingesetzt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Energiespeichervorrichtung

2

elektrischer Energiespeicher

3

Gleichspannungswandler

4

Wechselrichter

5

Spannungsmessung

6

Sicherheitseinrichtung

PE

Bezugspotential

R1

erster Widerstand

R2

zweiter Widerstand

U_AC

Wechselspannung

U_Batt

Batteriespannung

U_ZK

Zwischenkreisspannung

V+

erstes Potential

V-

zweites Potential

• 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 3618142 A1 [0007]

Claims (5)

1. Verfahren zum sicheren Betreiben eines elektrischen Energiespeichers einer Energiespeichervorrichtung (1), wobei - eine Batteriespannung (U_Batt) des elektrischen Energiespeichers (2) der Energiespeichervorrichtung (1) in eine Zwischenkreisspannung (U_ZK) umgewandelt wird, - die Zwischenkreisspannung (U_ZK) mit einem Wechselrichter (4) der Energiespeichervorrichtung (1) in eine Wechselspannung(U_AC) umgewandelt wird, wobei - ein erstes Potential (V+) und ein zweites Potential (V-) des Wechselrichters (4) mit einem Bezugspotential (PE) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Potential (V+) und das zweite Potential (V-) derart eingestellt werden, dass das erste Potential (V+) und das zweite Potential (V-) zueinander unsymmetrisch sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Potential (V+) über einen ersten Widerstand (R1) und das zweite Potential (V-) über einen zweiten Widerstand (R2) mit dem Bezugspotential (PE) verbunden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung zwischen dem zweiten Potential (V-) und dem Bezugspotential (PE) und/oder eine Spannung zwischen einem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers (2) und dem Bezugspotential (PE) und/oder eine Spannung zwischen einem negativen Potential des elektrischen Energiespeichers (2) und dem Bezugspotential (PE) gemessen wird, wobei diese Spannungen in Abhängigkeit von der Bemessungsisolationsspannung des elektrischen Energiespeichers (2) überprüft wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einstellen der Zwischenkreisspannung (U_ZK) über das Doppelte der Bemessungsisolationsspannung des elektrischen Energiespeichers (2).
5. Energiespeichervorrichtung (1), mit - einem elektrischen Energiespeicher (2) zum Bereitstellen einer Batteriespannung (U_Batt), - einem Gleichspannungswandler (3) zum Wandeln der Batteriespannung (U_Batt) in eine Zwischenkreisspannung (U_ZK), - einem Wechselrichter (4) zum Wandeln der Zwischenkreisspannung (U_ZK) in eine Wechselspannung (UAC), wobei - ein erstes Potential (V+) und ein zweites Potential (V-) des Wechselrichters (4) mit einem Bezugspotential (PE) verbunden sind, gekennzeichnet durch - eine Stelleinheit zum Einstellen des ersten Potentials (V+) und des zweiten Potentials (V-) derart, dass das erste Potential (V+) und das zweite Potential (V-) zueinander unsymmetrisch sind.

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