DE102020115444A1

DE102020115444A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Verbrauchereinrichtung in einem Energieversorgungsnetz eines Haushalts und/oder einer Industrieanlage, sowie Energieversorgungsnetz und Energiespeichervorrichtung für ein solches Energieversorgungsnetz

Info

Publication number: DE102020115444A1
Application number: DE102020115444.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Ruppert
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungsnetz (10) für einen Haushalt und/oder einer Industrieanlage, umfassend eine elektrische Verbrauchereinrichtung (12, 12W, 12G), die ausgebildet ist mittels einer Energiequelle mit einer vorgegebenen elektrischen Spannung beaufschlagt zu werden. Die Energiequelle ist dabei in dem Energieversorgungsnetz (10) angeordnet und umfasst ein steuerbares Batteriemodul (15). Das Batteriemodul (15) weist wenigstens einem Batteriestrang (151) mit einer vorgegebene Anzahl an elektrisch in Reihe geschalteten, aktivierbaren Batteriezellen (20, 30) auf. Zum Steuern des Batteriemoduls (15) ist ein Steuergerät (14) vorgesehen, das die Batteriezellen (20, 30) derart zum Aktivieren und/oder Deaktivieren betreibt, dass das Batteriemodul (15) die vorgegeben elektrische Spannung (UB) als elektrische Wechselspannung und/oder als elektrische Gleichspannung bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Verbrauchereinrichtung in einem Energieversorgungsnetz eines Haushalts oder einer Industrieanlage. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Energieversorgungsnetz für einen Haushalt und/oder eine Industrieanlage. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Energiespeichervorrichtung zur elektrischen Energieversorgung einer solchen elektrischen Verbrauchereinrichtung in einem entsprechenden Energieversorgungsnetz eines Haushalts und/oder einer Industrieanlage.
Bei dem Energieversorgungsnetz handelt es sich somit insbesondere um ein Haushaltskundennetz nach § 3 Nr. 22 EnWG für Netzverbraucher nach § 3 Nr. 25 EnWG. Das Energieversorgungsnetz stellt somit kein allgemeines Versorgungsnetz oder Energieversorgungsnetz der allgemeinen Versorgung nach § 3 Nr. 17 EnWG dar.
Zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Verbrauchereinrichtung ist das Energieversorgungsnetz üblicherweise an eine Energiequelle angeschlossen, die die elektrische Verbrauchereinrichtung mit einer vorgegebenen elektrischen Spannung, wie beispielsweise mit einer elektrischen Wechselspannung, beaufschlagt. Aus der EP 2 784 897 A1 sind dazu unterschiedliche Möglichkeiten für die Ausgestaltung einer solchen Energiequelle zum Versorgen von elektrischen Verbrauchern eines Hauses bekannt. Die Energiequelle kann zum Beispiel ein an das Haus angeschlossenes elektrisches Netz, also beispielsweise das vorgenannte allgemeine Energieversorgungsnetz, sein. Alternativ stehen als Energiequellen beispielsweise auch eine wiederaufladbare Batterie als Antriebsbatterie eines an das Haus anschließbaren Elektrofahrzeugs oder eine in dem Haus integrierte Energiespeichervorrichtung zur Verfügung.
Eine Ausgestaltungsmöglichkeit für eine solche Antriebsbatterie ist beispielsweise in der US 2014/0015488 A1 offenbart. Dabei sind eine Vielzahl von Batteriezellen elektrisch in Reihe zu einem jeweiligen Batteriemodul zusammengeschaltet, wobei die Fahrzeugbatterie aus mehreren solchen elektrisch parallel zueinander geschalteten Batteriemodulen gebildet ist. Jeder der Batteriezellen der Reihenschaltung ist dabei einem Zellschalter zugeordnet, um die jeweilige Batteriezelle aus der Reihenschaltung weg- oder zuschalten zu können. Zudem ist jedem der Module ein sogenannter Modulschalter zugeordnet, so dass auch die einzelnen Batteriemodule zu der Fahrzeugbatterie zu- oder weggeschaltet werden können. Je nach einer aktuell benötigten Energiemenge zum Betreiben eines Elektromotors des Fahrzeugs können somit die einzelnen Batteriemodule oder einzelne Batteriezellen zu der Fahrzeugbatterie zu- oder von der Fahrzeugbatterie weggeschaltet werden.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit eines schaltbaren elektrochemischen Energiespeichers, also beispielsweise der Antriebsbatterie oder der in dem Haus integrierten Energiespeichervorrichtung, ist zum Beispiel aus der DE 10 2014 220 062 A1 bekannt. Hierbei geht es darum, über einen sogenannten Gütefaktor den Gesundheitszustand der einzelnen Batteriezellen des elektrochemischen Energiespeichers zu erkennen und diese dann in Abhängigkeit von dem ermittelten Gütefaktor zu dem elektrochemischen Energiespeicher zuzuschalten oder wegzuschalten.
In Bezug die Fahrzeugbatterie als Energiequelle für Verbraucher des Hauses ergibt sich jedoch der Nachteil, dass die Batterie jedoch nur dann die elektrische Energie bereitstellen kann, wenn das Fahrzeug elektrisch mit dem Haus gekoppelt ist und die gespeicherte elektrische Energie nicht für den Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs benötigt wird.
Zudem ist eine solche Batterie ein reversibel betreibbarer oder wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher. Die Batterie kann somit auch als Akkumulator bezeichnet werden. Üblicherweise umfasst die Batterie dabei eine oder mehrere Batteriezellen, mit jeweils einer galvanischen Zelle, die zum Beispiel als elektrochemische Zelle ausgebildet ist. Die galvanische Zelle umfasst dabei zwei Elektroden, die jeweils einen sogenannten Potentialanschluss der galvanischen Zelle ausbilden und über einen Elektrolyten in Wechselwirkung stehen. Über die Elektroden ist in Abhängigkeit von einer Elektrochemie der galvanischen Zelle eine Gleichspannung bereitstellbar. Abhängig von der Zellchemie kann diese Gleichspannung beispielsweise 1,2 V bis 4,5 V. Die galvanische Zelle kann beispielsweise als Lithium-Ionen-Zelle oder Bleisäurezelle oder dergleichen ausgebildet sein. Indem nun mehrere solcher Batteriezellen mit den galvanischen Zellen beispielsweise zumindest teilweise elektrisch in Reihe geschaltet werden, kann die Batterie realisiert werden, mittels welcher große Gleichspannungen, beispielsweise im Bereich mehrerer hundert Volt, vorzugsweise etwa 400 V oder mehr, insbesondere etwa 800 V, bereitstellbar sind. Ein Wert der bereitgestellten Batteriespannung hängt dabei insbesondere von der Art der Anzahl an in Reihe geschalteten Batteriezellen ab. Je nach Energie beziehungsweise Leistungsbedarf der Batterie kann ergänzend auch noch eine Parallelschaltung von einer gewünschten Anzahl an Batteriezellen vorgenommen werden.
Mit der Batterie, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist somit lediglich eine elektrische Gleichspannung bereitstellbar. Deshalb sind zum Betreiben der elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise des Elektromotors oder der Verbraucher des Hauses aus dem Stand der Technik, sogenannte Leistungswandler, zum Beispiel ein Wechselrichter (AC/DC-Wandler) und/oder ein Gleichrichter (DC/DC-Wandler) nötig. Solche Leistungswandler wandeln die von der Batterie bereitgestellte Gleichspannung in eine passende elektrische Spannung (Gleichspannung mit höherer oder niedrigerer Spannungsamplitude oder Wechselspannung) für den jeweiligen Verbraucher. Solche Leistungswandler, insbesondere Komponenten für solche Leistungswandler, sind jedoch aufgrund der Anforderungen an die zu wandelnde elektrische Energie oder Leistung bei üblichen Batteriespannungen von in der Regel mehr als 400 V kostenaufwendig. Zudem stellt die Kompatibilität einzelner Komponenten unterschiedlicher Leistungswandler zueinander eine große Herausforderung dar. Insbesondere eine Kommunikation zwischen verschiedenen Leistungswandlern, deren Leistungsklassen oder Spannungsniveaus oder Spezifizierungen von Herstellern können eine Herausforderung sein. Schließlich benötigen solche Leistungswandler in der Regel auch elektrische Energie, selbst wenn sie gerade nicht aktiv, sondern beispielsweise nur in einem Schlaf- oder Stand-by-Modus betrieben werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energiequelle zum Versorgen einer Verbrauchereinrichtung eines Energieversorgungsnetzes eines Haushalts oder einer Industrieanlage, wie beispielsweise aus dem vorgenannten Stand der Technik bekannt ist, derart weiterzuentwickeln, dass die Verbrauchereinrichtung besonders kostengünstig und möglichst verlustfrei mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
Um die Verbrauchereinrichtung möglichst kostengünstig und verlustfrei mit elektrischer Energie zu versorgen, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass bei dem vorgenannten Verfahren zum Betreiben der elektrischen Verbrauchereinrichtung die Energiequelle zum Bereitstellen der vorgegebenen elektrischen Spannung in dem Energieversorgungsnetz angeordnet ist. Dabei umfasst die Energiequelle ein steuerbares Batteriemodul mit einem Steuergerät und wenigstens einem Batteriestrang mit einer vorgegebenen Anzahl an elektrisch in Reihe geschalteten aktivierbaren Batteriezellen. Die Batteriezellen werden mittels des Steuergeräts derart zum Aktivieren und/oder Deaktivieren betrieben oder angesteuert, dass mittels des Batteriemoduls in Abhängigkeit von einer elektrischen Eigenschaft der Verbrauchereinrichtung die vorgegebene elektrische Spannung als elektrische Wechselspannung und/oder als elektrische Gleichspannung bewirkt wird.
In Bezug auf das gattungsgemäße Energieversorgungsnetz ist entsprechend vorgesehen, dass die Energiequelle in dem Energieversorgungsnetz angeordnet ist und ein steuerbares Batteriemodul mit einem Steuergerät und wenigstens einem Batteriestrang mit einer vorgegebene Anzahl, also beispielsweise zwei oder mehr elektrisch elektrisch in Reihe geschalteten, aktivierbaren Batteriezellen umfasst. Zudem ist das Steuergerät ausgebildet, die Batteriezellen derart zum Aktivieren und/oder Deaktivieren zu betrieben oder anzusteuern, dass das Batteriemodul die vorgegebene elektrische Spannung als elektrische Wechselspannung und/oder als elektrische Gleichspannung bewirkt.
Im Zusammenhang mit der gattungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ist in der Erfindung schließlich vorgesehen, dass die Energiespeichervorrichtung ein steuerbares Batteriemodul mit einem Steuergerät und wenigstens einem Batteriestrang mit einer vorgegebenen Anzahl an elektrisch in Reihe geschalteten, aktivierbaren Batteriezellen umfasst. Dabei ist das Steuergerät ausgebildet, die Batteriezellen derart zum Aktivieren und/oder Deaktivieren zu betreiben, dass das Batteriemodul die vorgegebene elektrische Spannung als elektrische Wechselspannung und/oder als elektrische Gleichspannung bewirkt. Die Energiespeichervorrichtung kann somit als die vorgenannte Energiequelle zum Versorgen der elektrischen Verbrauchereinrichtung ausgebildet sein.
Mit dem Batteriemodul im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Batterie mit einer galvanischen Zelle gemeint, wie sie beispielsweise zuvor beschrieben wurde. Durch die spezielle Schaltungsstruktur des Batteriemoduls ergibt sich jedoch der Vorteil, dass sowohl die elektrische Gleichspannung zum Beispiel in ihrer Spannungsamplitude einstellbar ist als auch die elektrische Wechselspannung mittels des Batteriemoduls bereitgestellt werden kann. Das heißt, dass Batteriemodul ist schaltbar oder ergänzend umpolbar ausgebildet. Durch das vorgenannte Aktivieren wird die entsprechende Batteriezelle dabei dem Batteriestrang zugeschaltet. Durch das Deaktivieren wird die entsprechende Batteriezelle hingegen aus der Reihenschaltung des Batteriestrangs weggeschaltet oder abgeschaltet. Somit kann durch das Aktivieren oder Deaktivieren der Batteriezellen eine Menge an tatsächlich in Reihe geschalteten Batteriezellen eingestellt werden. Die Menge der aktivierten Batteriezellen gibt dabei auch die elektrische Spannung oder Batteriespannung vor, die zwischen Batterieanschlusspolen der Batterie oder des Batteriemoduls abgreifbar ist. Somit kann die Batteriespannung eingestellt werden. Dadurch ist mittels des Batteriemoduls zum Beispiel eine zeitlich veränderliche Batteriespannung mit nahezu beliebiger Kurvenform bereitstellbar. Beispielsweise kann somit eine Sinuskurvenform, eine Dreieckskurvenform, eine Sägezahnkurvenform und/oder dergleichen nachgebildet werden. Als elektrische Wechselspannung kann somit zum Beispiel eine übliche Netzspannung mit einer Netzfrequenz von beispielsweise etwa 50 Hz und einen Effektivwert von beispielsweise etwa 230 V bereitgestellt werden. Entsprechend kann mittels des Batteriemoduls auch eine zeitlich konstante Batteriespannung mit nahezu beliebiger Amplitude bereitgestellt werden.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass keine zusätzlichen Leistungswandler für das Bereitstellen der Batteriespannung an die Verbrauchereinrichtung, wie es beispielsweise bei normalen oder nicht schaltbaren Batteriemodulen üblich ist, nötig sind. Stattdessen ist durch die Schaltungsstruktur des Batteriemoduls selbst eine Leistungswandlung von Gleichspannungen, die mittels den einzelnen Batteriezellen bereitgestellt werden, in eine beliebige elektrische Spannung oder Batteriespannung, die mittels dem gesamten Batteriemodul bereitgestellt wird, realisierbar. Dadurch kann zum Beispiel ein sogenannter Inselbetrieb der Verbrauchereinrichtung mittels des Batteriemoduls realisiert werden.
Solche schaltbaren Batteriezellen werden häufig auch als Smartcells bezeichnet. Wie eine Schaltungsstruktur einer schaltbare Batteriezelle beispielhaft realisiert sein kann, ist im späteren Verlauf in Bezug auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung noch einmal näher beschrieben.
Das Steuergerät zum Betreiben der jeweiligen Batteriezelle kann bevorzugt als Prozessoreinheit mit zumindest einem Mikroprozessor und/oder zumindest einem Mikrocontroller und/oder zumindest einem FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einem DSP (Digital Signal Processor) ausgebildet sein.
Die Verbrauchereinrichtung umfasst bevorzugt wenigstens einen, das heißt einen oder mehrere elektrische Verbraucher. Bei den Verbrauchern kann es sich beispielsweise um elektrisch betriebene Haushaltsgeräte und/oder Maschinen und/oder Geräte für Industrieanwendungen handeln. Die elektrische Eigenschaft der Verbrauchereinrichtung beziehungsweise des jeweiligen Verbrauchers gibt dabei an, welche Art von elektrischer Spannung, also elektrische Gleichspannung und/oder der elektrische Wechselspannung, der jeweilige Verbraucher beziehungsweise die Verbrauchereinrichtung zur Energieversorgung benötigt.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben. Im Folgenden wird dazu zunächst auf vorteilhafte Ausführungsformen in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren eingegangen. Die genannten Ausführungsformen beschränken sich hierbei in vorteilhafterweise jedoch nicht auf das Verfahren, sondern sind auch für das Energieversorgungsnetz und/oder die Energiespeichervorrichtung umsetzbar.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass für das Batteriemodul zumindest teilweise eine vormalige oder recycelte Antriebsbatterie eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Das heißt, es kann beispielsweise die gesamte Antriebsbatterie oder Traktionsbatterie oder einzelne Komponenten der Traktionsbatterie, wie beispielsweise einzelner Modulblöcke oder einzelner Zellen, zum Bilden des Batteriemoduls genutzt werden. Natürlich können beispielsweise auch mehrere Antriebsbatterien oder einzelnen Komponenten von mehreren Antriebsbatterien von unterschiedlichen Kraftfahrzeugen zum Bilden des Batteriemoduls genutzt werden. Zur Vereinfachung wird im Folgenden in diesem Zusammenhang nur noch von der Antriebsbatterie an sich gesprochen. Gemeint ist dabei aber natürlich jeweils der gewünschte Teil (gesamte Antriebsbatterie und/oder einzelne Komponenten und/oder Komponentenblöcke) der Antriebsbatterie, der für den Einsatz als Energiequelle für die elektrische Energieversorgung der Verbrauchereinrichtung ausgewählt werden soll. Um dementsprechend eine passende Antriebsbatterie und/oder passende Komponente hiervon für die Verwendung auszuwählen, wird die jeweilige Antriebsbatterie vor der Verwendung überprüft und insbesondere auf ihre Funktionsfähigkeit hin untersucht. Zum Auswählen der Antriebsbatterie wird dazu wenigstens ein Betriebsparameter der Antriebsbatterie gemäß einem vorbestimmten Auswertekriterium ausgewertet.
Durch den Einsatz einer vormaligen oder recycelten Antriebsbatterie und einer sogenannten „Second Life“ (Zweites Leben) ergibt sich der Vorteil, dass die Verfügbarkeit der Energiequelle in dem Energieversorgungsnetz noch weiter erhöht werden kann. So kann ein Nutzer beispielsweise das entsprechende Batteriemodul einfach aus einem Altfahrzeug verwenden. Dadurch eignen sich derartig ausgestaltete Batteriemodule insbesondere für private Haushalte. Aber auch in industriellen Anwendungen ist der Einsatz derartiger Batteriemodule denkbar. Bei Batteriemodulen, die aus recycelten Antriebsbatterien hergestellt sind, ergibt sich zudem der Vorteil, dass eine Steuerelektronik und eine entsprechende Schaltungstopologie hierzu bereits hinreichend für die entsprechende Verwendung implementiert ist. Üblicherweise ist in einer solchen Antriebsbatterie auch bereits eine Kommunikationsmöglichkeit, beispielsweise in Form eines Fehlermoduls, integriert. Dadurch kann das Batteriemodul ohne großen Aufwand beispielsweise von außen, also beispielsweise durch den Nutzer, bei Bedarf einfach abgeschaltet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass gemäß dem Auswertekriterium geprüft wird, ob zumindest ein jeweiliger Betriebswert eines der jeweiligen Betriebsparameter der Antriebsbatterie einen vorbestimmten ersten neuen Wertebereich für den Einsatz in dem Kraftfahrzeug verlässt. Verlässt der jeweilige Betriebswert dabei den jeweils vorgegebenen ersten Normwertebereich, wird die Antriebsbatterie als ungeeignet für den Einsatz als Fahrzeugbatterie klassifiziert und betrachtet. Liegt der jeweilige Betriebswert hingegen innerhalb des zugeordneten ersten Normwertbereichs, wird die Eignung als Fahrzeugbatterie bestätigt. In dem ersten Überprüfungsschritt geht es also darum zu überprüfen, ob die Antriebsbatterie beziehungsweise die gewünschte Komponente für den Einsatz als Antriebsbatterie in dem Fahrzeug ungeeignet ist oder vorbestimmte Anforderungen für den Einsatz in der Antriebsbatterie nicht mehr erfüllt. Dabei genügt ist, wenn ein einzelner Betriebsparameter die vorbestimmten Anforderungen nicht mehr erfüllt, also dessen Betriebswert außerhalb des vorgegebenen ersten Normwertebereichs liegt.
Zusätzlich oder alternativ wird gemäß dieser Ausführungsform in einem zweiten Überprüfungsschritt überprüft, ob zumindest ein jeweiliger Betriebswert des wenigstens einen Betriebsparameters innerhalb eines jeweiligen vorbestimmten zweiten Normwertebereichs für den Einsatz als Energiequelle in dem Energieversorgungsnetz liegt. Verlässt der jeweilige Betriebswert dabei den jeweils vorgegebenen zweiten Normwertebereich, wird die Antriebsbatterie als ungeeignet für den Einsatz als Energiequelle klassifiziert oder betrachtet. Liegt der jeweilige Betriebswert hingegen innerhalb des zugeordneten zweiten Normwertebereichs, wird die Eignung als Energiequelle bestätigt. In dem zweiten Überprüfungsschritt wird somit überprüft, ob die Antriebsbatterie sich überhaupt für den Einsatz als Energiequelle zur elektrischen Energieversorgung der Verbrauchereinrichtung eignet. Dabei sollten alle überprüften Betriebsparameter die vorbestimmten Anforderungen oder Vorlagen für den Einsatz als Energiequelle für das Energieversorgungsnetz erfüllen. Die vorgenannten Normwertebereiche für die jeweiligen Betriebswerte können beispielsweise durch Richtlinien oder Formvorschriften vorgegeben sein und/oder von einem Fachmann festgelegt sein, zum Beispiel durch ermitteln in Testreihen.
In Bezug auf den wenigstens einen Betriebsparameter ist in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass als der wenigstens eine Betriebsparameter ein Prozentsatz an funktionseingeschränkten und/oder funktionsunfähigen Batteriezellen der Antriebsbatterie und/oder eine maximale Batteriespannung und/oder eine Stabilität der Batteriespannung und/oder eine Batteriekapazität und/oder eine vorbestimmte Lebensdauer und/oder eine Ladedauer und/oder eine Maximaltemperatur und/oder eine Rüttelfestigkeit und/oder eine Stoßfestigkeit und/oder dergleichen ausgewertet wird.
Es kann also beispielsweise überprüft werden, ob ein vorbestimmter Prozentsatz der Batteriezellen der Antriebsbatterie funktionseingeschränkt und/oder funktionsunfähig. Anders ausgedrückt kann ermittelt werden, wie viele der Batteriezellen der Antriebsbatterie bereits ausgefallen oder defekt (funktionsunfähig) sind und/oder eine vorbestimmte Anforderung, die zum Beispiel durch die jeweiligen Normwertebereiche festgelegt ist, nicht mehr erfüllen (funktionsgestört). Zum Bestimmen des Prozentsatzes an funktionseingeschränkten und/oder funktionsunfähigen Batteriezellen kann zum Beispiel, wie zuvor für die Antriebsbatterie beschrieben, ein jeweiliger Batteriezellenparameter überprüft werden. Als erster Normwertebereich kann zum Beispiel ein Prozentsatz zwischen 100% und 90% oder 100% und 80% vorgesehen sein. Als zweiter Normwertebereich kann zum Beispiel ein Prozentsatz zwischen 90% und 70% oder 80% und 60% vorgesehen sein.
Zusätzlich oder alternativ kann zum Beispiel eine Summenspannung der Batteriezellen, also die maximale Batteriespannung, die an den Batterieanschlusspolen der Antriebsbatterie abgreifbar ist, ermittelt werden und mit einem vorbestimmten Minimalspannungswert verglichen werden. Der Minimalspannungswert kann zum Beispiel die Untergrenze des vorgenannten ersten neuen Wertebereichs sein. Beim Unterschreiten des Minimalspannungswerts kann somit die Tauglichkeit der Antriebsbatterie für den Einsatz als Fahrzeugbatterie verneint werden.
Im Folgenden sind nun Ausführungsformen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energieversorgungsnetz und der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung beschrieben. Auch hier beschränken sich die beschriebenen Ausführungsformen jedoch nicht auf das Energieversorgungsnetz und die Energiespeichervorrichtung, sondern können zusätzlich oder alternativ auch für das vorgenannte erfindungsgemäße Verfahren umgesetzt werden.
Dabei geht es in den folgenden Ausführungsformen zunächst darum, wie die schaltbaren Batteriezellen zum Bilden des Batteriemoduls ausgebildet sein können. In einer Ausführungsform der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass das Batteriemodul wenigstens zwei Batterieanschlusspole umfasst, wobei der wenigstens eine Batteriestrang mit einem ersten Ende an einem ersten der wenigstens zwei Batterieanschlusspole und einem zweiten Ende an einem zweiten der wenigstens zwei Batterieanschlusspole angeschlossen ist. In Bezug auf die Ausgestaltung der Batteriezellen des Batteriemoduls ist weiterhin vorgesehen, dass die jeweilige Batteriezelle vier Zellenanschlüsse, eine galvanische Zelle und zwei Halbleiterschalter umfasst. Ein erster der Zellenanschlüsse ist dabei unmittelbar mit einem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle elektrisch gekoppelt. Ein zweiter der Zellenanschlüsse ist über einen ersten der Halbleiterschalter mit einem zweiten Potentialanschluss der galvanischen Zelle elektrisch gekoppelt. Ein dritter der Zellenanschlüsse ist unmittelbar mit dem zweiten Potentialanschluss elektrisch gekoppelt. Schließlich ist ein vierter der Zellenanschlüsse über einen zweiten der Halbleiterschalter mit dem ersten Potentialanschluss elektrisch gekoppelt. Zum Bilden des Batteriestrangs in dieser Ausführungsform zudem vorgesehen, dass jeweils der erste Zellenanschluss einer jeweiligen ersten der Batteriezellen mit einem zweiten Zellenanschluss einer jeweiligen zweiten der Batteriezellen elektrisch gekoppelt ist. Weiterhin ist der dritte Zellenanschluss der jeweiligen ersten Batteriezelle mit dem vierten Zellenanschluss der jeweiligen zweiten Batteriezelle elektrisch gekoppelt. Die vorgenannte Verbindung gilt auch für die übrigen Batteriezellen, die in der Reihenschaltung aneinander angeschlossen werden sollen.
Um mittels des Batteriemoduls die gewünschte elektrische Spannung entsprechend dynamisch einstellen zu können, ist außerdem vorgesehen, dass das Steuergerät ausgebildet ist, die Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der bereitzustellenden elektrischen Spannung in einem vorbestimmten Schaltbetrieb zu betreiben. Der Schaltbetrieb ist im späteren Verlauf noch einmal näher erläutert.
Durch die in dieser Ausführungsform vorgesehene spezielle Schaltungsstruktur der jeweiligen Batteriezelle mit zwei Halbleiterschaltern und vier Zellenanschlüssen ist somit ein sogenannter bipolarer Betrieb des Batteriemoduls möglich. Das heißt, durch das Schalten der Halbleiterschalter in einen jeweiligen Schaltzustand erfolgt nicht nur das Zuschalten oder Wegschalten der jeweiligen Batteriezelle zu dem Batteriestrang, sondern es kann zusätzlich oder alternativ auch eine Polarität der jeweiligen galvanischen Zelle gewechselt werden. Das heißt, an den Batterieanschlusspolen ist somit sowohl eine positive als auch eine negative Spannung einstellbar, so dass sich die vorgenannte elektrische Wechselspannung ergibt.
Zum Beispiel ist es durch diese Schaltungsstruktur möglich, mittels des ersten Halbleiterschaltelements die galvanische Zelle zwischen dem ersten und dem zweiten Zellenanschluss zu aktivieren, so dass eine entsprechende Gleichspannung an dem ersten und dem zweiten Zellenanschluss bereitgestellt werden kann. Beim Deaktivieren des Halbleiterschalters wird durch die Batteriezelle zwischen dem ersten und zweiten Zellenanschluss hingegen keine Gleichspannung bereitgestellt. Das erste Halbleiterschaltelement kann somit auch als Aktivierungsschalter für die Batteriezelle bezeichnet werden. Wird nun im deaktivierten oder ausgeschalteten Zustand des ersten Halbleiterschalters der zweite Halbleiterschalter aktiviert, also in einen eingeschalteten Schaltzustand versetzt, kann die galvanische Zelle somit überbrückt werden. Der zweite Halbleiterschalter kann folglich als Überbrückungsschalter bezeichnet werden. Die zusätzliche Funktionalität der Umpolung der galvanischen Zelle ergibt sich insbesondere im Zusammenwirken von Batteriezellen, die in der Reihenschaltung unmittelbar an die jeweilige Batteriezelle angeschlossen sind. Das heißt, die Umpolung wird durch den zweiten Halbleiterschalter in Verbindung mit dem dritten und dem vierten Zellenanschluss der vorliegenden Schaltungsstruktur realisiert.
Zum Bereitstellen der Batteriespannung an die elektrische Verbrauchereinrichtung ist das Batteriemodul bevorzugt mit einem jeweiligen ersten der beiden Batterieanschlusspole an einen Phasenleiter in dem Energieversorgungsnetz angeschlossen und mit einem zweiten Batterieanschlusspol an einem Neutralleiter oder Nullleiter in dem Energieversorgungsnetz angeschlossen.
Alternativ zu der eben beschriebenen Schaltungsstruktur des Batteriemoduls mit wenigstens zwei Batterieanschlusspolen zum Ermöglichen des bipolaren Betriebs ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Batteriemodul wenigstens drei Batterieanschlusspole umfasst. Der Batteriestrang ist dabei mit einem ersten Ende an einem ersten der wenigstens drei Batterieanschlusspole und einem zweiten Ende an einem zweiten der wenigstens drei Batterieanschlusspole elektrisch angeschlossen. Zudem weist der Batteriestrang noch einen Mittelabgriff auf, mit dem der Batteriestrang an dem dritten der wenigstens drei Batterieanschlusspole angeschlossen ist. Durch den Mittelabgriff ist der Batteriestrang somit in zwei separate Batterieteilstränge oder Batteriezweige oder Batteriearme unterteilt. Hierbei wird die Batteriespannung zum Einstellen der gewünschten Batteriespannung somit nicht mehr nur an zwei Batterieanschlusspolen, sondern stattdessen an drei Batterieanschlusspolen bereitgestellt.
In Bezug auf die Ausgestaltung der jeweiligen Batteriezelle ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die jeweilige Batteriezelle zwei Zellenanschlüsse, eine galvanische Zelle und eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiterschaltern umfasst. Ein erster Potentialanschluss der galvanischen Zelle ist mit einem ersten Ende der Reihenschaltung elektrisch gekoppelt. Ein zweiter Potentialanschluss der galvanischen Zelle ist mit einem zweiten Ende der Reihenschaltung elektrisch gekoppelt. Zudem ist ein erster der Zellenanschlüsse unmittelbar mit dem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle und ein zweiter der Zellenanschlüsse ist mit einem Mittelabgriff der Reihenschaltung elektrisch gekoppelt. Die Batteriezelle ist somit in einer sogenannten Halbbrückenschaltung ausgebildet.
Um aus den einzelnen Batteriezellen nun den gewünschten Batteriestrang zu bilden, ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass jeweils der erste Zellenanschluss einer jeweiligen ersten der Batteriezellen mit dem zweiten Zellenanschluss der jeweiligen zweiten der Batteriezellen elektrisch gekoppelt ist. Die beschriebene Verbindung gilt auch für die übrigen Batteriezellen, die in der Reihenschaltung aneinander angeschlossen werden sollen.
Zum Einstellen der gewünschten elektrischen Spannung, also der Batteriespannung, ist das Steuergerät schließlich ausgebildet, die Halbleiterschalter in einem vorgegebenen und vorgegebenen Schaltbetrieb zu betreiben, auf den im späteren Verlauf noch einmal näher eingegangen wird.
Durch diese Schaltungsstruktur ist somit der erste Halbleiterschalter, also derjenige Halbleiterschalter, der zwischen dem Mittelabgriff der Halbleiterschalter und dem zweiten Potentialanschluss der galvanischen Zelle angeschlossen ist, der vorgenannte Aktivierungsschalter. Der zweite Halbleiterschalter, also derjenige Halbleiterschalter, der zwischen dem Mittelabgriff der Halbleiterschalter und dem ersten Zellenanschluss der Batteriezelle angeschlossen ist, ist hingegen der vorgenannte Überbrückungsschalter. Durch die Schaltungsstruktur mit zwei Halbleiterschaltern und zwei Zellenanschlüssen ist somit ein unipolarer Betrieb des Batteriemoduls realisiert. Ein Wechsel der Polarität der galvanischen Zelle ist somit nicht möglich. Stattdessen erfolgt das Erzeugen der Batteriespannung mit unterschiedlicher Polarität mit Hilfe der Teilstränge des Batteriestrangs. Bei einem sinusförmigen Kurvenverlauf der Batteriespannung kann beispielsweise mittels des ersten Teilstrangs die positive Sinuswelle und mittels des zweiten Batterieteilstrangs die negative Sinuswelle nachgebildet werden. Die entsprechende Batteriespannung wird dabei jeweils zwischen dem ersten und dem dritten Batterieanschlusspol beziehungsweise zwischen dem zweiten und dem dritten Batterieanschlusspol bereitgestellt. Um dies zu realisieren, werden die Teilstränge durch entsprechendes Deaktivieren oder Aktivieren der Batteriezellen abwechselnd, also getrennt oder unabhängig voneinander, der elektrischen Verbrauchereinrichtung zu- beziehungsweise abgeschaltet.
Durch die in den vorangegangenen beiden Ausführungsformen realisierten Ausgestaltungsmöglichkeiten für das Batteriemodul ist es somit möglich, die Batteriespannung zeitlich veränderlich und insbesondere dynamisch einzustellen, so dass sich eine beliebige Kurvenform der Batteriespannung ergibt. Es kann also sowohl die Amplitude (Pegel) und/oder die Polarität und/oder die Frequenz der elektrischen Spannung zur Versorgung der elektrischen Verbrauchereinrichtung eingestellt werden.
Die vorgenannten Halbleiterschalter können insbesondere durch einen Transistor, wie beispielsweise ein Feldeffekttransistor, vorzugsweise einen Metalloxidfeldeffekttransistor (MOSFET), einen Insulated-Gate-BipolarTransistor (IGBT), aber auch durch einen Gate-Turn-off-Thyristor (GTO) und/oder dergleichen oder jeglicher anderer Art von Halbleiterschalter gebildet sein. Um die Batteriespannung dynamisch in der gewünschten Kurvenform einstellen zu können, werden die Halbleiterschalter dabei wie zuvor beschrieben in dem sogenannten Schaltbetrieb betrieben. Mit Schaltbetrieb ist vorliegend gemeint, dass die Halbleiterschalter jeweils einen eingeschalteten und einen ausgeschalteten Schaltzustand aufweisen. In dem eingeschalteten Schaltzustand weist der jeweilige Halbleiterschalter eine sehr gute Leitfähigkeit auf, so dass ein hoher Stromfluss in dem jeweiligen Halbleiterschalter möglich ist. In dem ausgeschalteten Schaltzustand ist der jeweilige Halbleiterschalter hingegen hochohmig. Das heißt, der jeweilige Halbleiterschalter stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, wodurch kein oder nur ein vernachlässigbar geringer elektrischer Stromfluss über den jeweiligen Halbleiterschalter möglich ist. Zum Betreiben der Halbleiterschalter in dem Schaltbetrieb ist das Steuergerät vorzugsweise direkt in das Batteriemodul integriert. Zusätzlich oder alternativ ist auch eine Realisierung als Batteriemodulexterne Steuergerät möglich. Zum Übermitteln und Empfangen von entsprechenden Steuersignalen des Steuergeräts kann die jeweilige Batteriezelle dazu eine leitungslose oder drahtlose Kommunikationsschnittstelle aufweisen.
Im Folgenden geht es als Nächstes darum, wie das Batteriemodul zum Einstellen der gewünschten elektrischen Spannung durch entsprechendes Schalten der Halbleiterschalter betrieben werden kann. Dazu ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Steuergerät ausgebildet ist, das Batteriemodul zum Bewirken der elektrischen Wechselspannung durch Betreiben der Halbleiterschalter in einem jeweils vorbestimmten Taktbetrieb und einem Mehrpegelbetrieb und/oder einem Pulsweitenmodulationsbetrieb zu betreiben. Bei dem vorgenannten Schaltbetrieb der Halbleiterschalter handelt es sich somit um einen Taktbetrieb.
Bei dem Mehrpegelbetrieb und dem Pulsweitenmodulationsbetrieb handelt es sich somit um unterschiedliche Betriebsmöglichkeiten des Batteriemoduls, in denen die Halbleiterschalter in einem entsprechenden Taktbetrieb betrieben werden, damit sich die gewünschte Wechselspannung einstellt.
In dem Mehrpegelbetrieb werden die Halbleiterschalter dabei derart getaktet, dass die jeweiligen Batteriezellen der Reihenschaltung einzeln und insbesondere nacheinander aktiviert oder deaktiviert werden. Die Menge an in Reihe geschalteten Batteriezellen wird somit wie in einer Kaskade erhöht oder reduziert. Insgesamt ergibt sich somit an den Batterieanschlusspolen eine Batteriespannung, die stufenförmig oder treppenförmig ansteigt oder abfällt. Durch eine geeignete Wahl der Stufen kann somit zum Beispiel eine sinusförmige Wechselspannung nachgebildet werden. Anders ausgedrückt ist der Spannungspegel, der mittels des Batteriemoduls bereitgestellt wird, somit zeitlich dynamisch veränderbar. Der Spannungspegel ergibt sich dabei abhängig von der Anzahl an gleichzeitig aktivierten Batteriezellen.
In dem Mehrpegelbetrieb ist mittels des Batteriemoduls somit die Funktion eines Mehrpegelenergiewandlers oder eines M2C-Umrichters nachbildbar. In dem Mehrpegelbetrieb kann eine Taktrate oder Taktfrequenz zum Schalten der Halbleiterschalter dabei in etwa 500 Hz betragen. Diese Taktrate ist insbesondere abhängig von einer jeweiligen Zellspannung, die mit der jeweiligen Batteriezelle bereitstellbar ist, und dabei insbesondere abhängig von einer jeweiligen Zellspannung, die mittels der jeweiligen Batteriezelle bereitstellbar ist sowie der Anzahl an in Reihe geschalteten Batteriezellen.
Im Gegensatz dazu ist in dem Pulsweitenmodulationsbetrieb des Batteriemoduls vorgesehen, dass die Halbleiterschalter derart getaktet betrieben werden, dass - je nach gewünschter Stromstärke - entweder einzelne, mehrere oder alle der Batteriezellen in der Reihenschaltung gleichzeitig zum Aktivieren und/oder Deaktivieren angesteuert werden. Es werden also insbesondere eine oder mehrere Batteriezellen gemeinsam angesteuert. Über ein Tastverhältnis, also eine jeweilige Einschaltdauer im Vergleich zu einer Periodendauer, also der Summe der Einschaltdauer und der Ausschaltdauer der jeweiligen Batteriezelle, wird dabei die Batteriespannung eingestellt. Insgesamt wird die Batteriespannung des Batteriemoduls somit nicht in Stufen erhöht, sondern nur zwischen zwei Potenzialen oder Potenzialzuständen gemäß dem gewünschten Tastverhältnis hin und her geschaltet. An den Batterieanschlusspolen wird somit entweder die Gesamtspannung des Batteriemoduls oder keine Spannung bereitgestellt. Durch das derartige Hin- und Herschalten der Batteriezellen kann somit ein Wechselstrom mit nahezu beliebiger Kurvenform nachgebildet werden. Dieser Wechselstrom kann dann zur elektrischen Energieversorgung der Verbrauchereinrichtung genutzt werden. Um Sprünge in dem resultierenden Wechselstrom, also dem Batteriestrom, auszugleichen, werden die Halbleiterschalter dabei mit einer Taktrate im Kilohertzbereich betrieben. Insbesondere können die Halbleiterschalter beispielsweise mit einer Taktrate von mehr als 20 kHz, bevorzugt mehr als 25 kHz, betrieben werden. Eine solche Taktrate oder Taktfrequenz hat den Vorteil, dass sie außerhalb des Hörbereichs für den Menschen liegt und sich deshalb besonders gut für die elektrische Energieversorgung von Haushaltsgeräten eignet. Der Pulsweitenmodulationsbetrieb ist im Stand der Technik umfänglich bekannt, so dass ergänzend auf das entsprechende Fachwissen verwiesen wird. Analog gilt dies auch für den Mehrpegelbetrieb, wie er beispielsweise von einem Mehrpegelenergiewandler bekannt ist.
Zusätzlich oder alternativ dazu ist es in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Steuergerät ausgebildet ist, die Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der einzustellenden elektrischen Gleichspannung in einen vorbestimmten Schaltzustand zu schalten. Bei dem Schaltbetrieb handelt es sich somit nicht um ein getaktetes Schalten oder Betreiben der Halbleiterschalter, wie es zuvor für die elektrische Wechselspannung beschrieben worden ist. Stattdessen werden die Halbleiterschalter in dem Schaltbetrieb zum Bereitstellen der elektrischen Gleichspannung bevorzugt nur einmalig geschalten und dann in dem jeweiligen Schaltzustand, also beispielsweise in dem eingeschalteten oder ausgeschalteten Schaltzustand, gehalten. Die Anzahl der durch das Schalten der Halbleiterschalter aktivierten Batteriezellen gibt dabei die Spannungsamplitude oder Amplitude der elektrischen Gleichspannung vor.
Durch das Nutzen von schaltbaren Batteriezellen ist das Batteriemodul besonders einfach auch für mehrphasige Energieversorgungsnetze einsetzbar. Das Batteriemodul kann dann bevorzugt für jede Phase des Energieversorgungsnetzes einen separaten Energiestrang umfassen, wobei die Batteriezellen des jeweiligen Batteriestrangs mittels des Steuergeräts unabhängig voneinander betreibbar sind. Das heißt, die gewünschte Batteriespannung je Batteriestrang kann unabhängig von der Batteriespannung in den anderen Batteriesträngen eingestellt werden. Damit kann beispielsweise bei einer dreiphasigen Ausgestaltung des Energieversorgungsnetzes mittels des Batteriemoduls beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrom oder Drehstrom zur elektrischen Energieversorgung der Verbrauchereinrichtung bereitgestellt werden. Ist das Batteriemodul dabei gemäß der vorgenannten Ausführungsform für den bipolaren Betrieb ausgestaltet, sind die Batteriestränge vorzugsweise mit einem jeweiligen ersten Ende an einem jeweiligen ersten der Phasen zugeordneten Batterieanschlusspole angeschlossen. Mit einem jeweiligen zweiten Ende sind die Batteriestränge hingegen gemeinsam an einem einem Bezugspotential zugeordneten Batterieanschlusspol angeschlossen. Somit ist eine Sternschaltung der Batteriestränge realisiert. Zum Bereitstellen der Batteriespannung an das Energieversorgungsnetz kann der dem Bezugspotential zugeordnete Batterieanschlusspol, welcher insbesondere den Sternpunkt der Sternschaltung bildet, mit einem Bezugspotentialleiter des Energieversorgungsnetzes, also beispielsweise einem Nullleiter oder Neutralleiter, angeschlossen sein. Mit den den Phasen zugeordneten Batterieanschlusspolen kann das Batteriemodul hingegen an jeweils einen Phasenleiter des Energieversorgungsnetzes angeschlossen sein. Bei der dreiphasigen Ausgestaltung des Energieversorgungsnetzes würde das Batteriemodul dementsprechend beispielsweise vier Batterieanschlusspole umfassen.
Ist das Batteriemodul hingegen entsprechend der Ausführungsform für den unipolaren Betrieb ausgestaltet, sind die Batteriestränge vorzugsweise mit einem jeweiligen Ende gemeinsam an einem einem Bezugspotential zugeordneten ersten Batterieanschlusspol und mit einem jeweiligen zweiten Ende gemeinsam an einem weiteren dem Bezugspotential zugeordneten zweiten Batterieanschlusspol angeschlossen. Mit ihrem jeweiligen Mittelabgriff sind die Batteriestränge dabei bevorzugt an einem einer jeweiligen Phase zugeordneten Batterieanschlusspol angeschlossen. Zur Energieübertragung sind die beiden dem Bezugspotential zugeordneten Batterieanschlusspole vorzugsweise in einer Parallelschaltung an den vorgenannten Bezugspotentialleiter oder Neutralleiter angeschlossen. Die Phasenleiter der des Energieversorgungsnetzes sind hingegen bevorzugt mit denen der Phase zugeordneten Batterieanschlusspole elektrisch gekoppelt. Bei der dreiphasigen Ausgestaltung des Energieversorgungsnetzes umfasst das Batteriemodul in dieser Ausgestaltung somit insbesondere fünf Batterieanschlusspole.
Dem Grunde nach kann der zuvor beschriebene Betrieb des Batteriemoduls aber nicht nur zum Bereitstellen der Batteriespannung, also zum Bereitstellen von elektrischer Energie genutzt werden, sondern der Betrieb kann auch genutzt werden, um die Batterie aufzuladen, indem dem Batteriemodul zum Beispiel mittels einer geeigneten Ladevorrichtung elektrische Energie zugeführt wird. Die Anwendung ist daher nicht darauf beschränkt, elektrische Energie durch die Batterie abzugeben, sondern sie kann auch zur Energieaufnahme und zum Speichern, also zum Laden der elektrischen Energie genutzt werden.
Dazu ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass das Steuergerät ausgebildet ist, das Batteriemodul entweder in einem Ladebetrieb zum Laden des Batteriemoduls mittels einer vorgegebenen elektrischen Spannung oder in einem Entladebetrieb zum Bereitstellen der vorgegebenen elektrischen Spannung an die Verbrauchereinrichtung zu betreiben. Um das Umschalten des Betriebsmodus von dem Ladebetrieb zu dem Entladebetrieb oder umgekehrt zu realisieren, umfasst das Energieversorgungsnetz dabei bevorzugt ein Wechselschaltmodul oder Trennschaltmodul. Das Wechselschaltmodul ist ausgebildet, in Abhängigkeit von dem gewünschten Betriebsmodus das Batteriemodul zum elektrischen Trennen und Verbinden mit der Verbrauchereinrichtung und/oder einer entsprechenden Ladevorrichtung zum Laden des Batteriemoduls anzusteuern.
Um während des Ladebetriebs, also beim Laden des Batteriemoduls, auf die Funktion des Batteriemoduls als Energiequelle nicht verzichten zu müssen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Energieversorgungsnetz mehr als eines der vorgenannten Batteriemodule, also beispielsweise zwei oder mehr solcher Batteriemodule, umfasst. Die unterschiedlichen Batteriemodule können dabei unabhängig voneinander in dem Ladebetrieb und in dem Entladebetrieb betrieben werden. Somit kann während des Ladens eines ersten der Batteriemodule mittels eines zweiten der Batteriemodule die Verbrauchereinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden und umgekehrt. Die wenigstens zwei Batteriemodule können zum Beispiel in einer Batterie gemeinsam verschaltet sein und/oder als Einzelmodule realisiert sein. Vorzugsweise sind die unterschiedlichen Batteriemodule unabhängig oder getrennt voneinander betreibbar. Das heißt, sie können zum Beispiel gleichzeitig oder abwechselnd geladen, also in dem Ladebetrieb, oder entladen, also in dem Entladebetrieb, betrieben werden. Besonders bevorzugt sind diese Batteriemodule zudem oder alternativ mittels des Trennschaltmoduls mit der gewünschten Komponente (Verbrauchereinrichtung und/oder Ladevorrichtung) in dem Energieversorgungsnetz koppelbar. Eine Zuordnung des jeweiligen Batteriemoduls zu der gewünschten Komponente und eine entsprechende Steuerung des Trennschaltmoduls zum elektrischen anschließen kann zum Beispiel durch das jeweilige Steuergerät des Batteriemoduls erfolgen.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mehrere unterschiedliche Verbraucher mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften gemeinsam oder gleichzeitig mit elektrischer Energie versorgt werden können. Zudem braucht auf die Energieversorgung der Verbraucher nicht verzichtet werden, wenn eines der Batteriemodule gerade geladen wird.
In den folgenden Ausführungsformen sind Ausgestaltungsmöglichkeiten für die Ladevorrichtung zum Laden des Batteriemoduls realisiert. Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Energieversorgungsnetz einen Versorgungsanschluss zum Bereitstellen oder Zuführen einer elektrischen Wechselspannung aus einem allgemeinen Energieversorgungsnetz, also einer Energieversorgungsnetz-externen Wechselspannungsquelle umfasst. Dabei ist das Batteriemodul zum Laden mit dem Versorgungsanschluss elektrisch koppelbar. Zum Laden des Batteriemoduls mit dem allgemeinen Energieversorgungsnetz kann somit das Steuergerät, beispielsweise das vorgenannte Wechselschaltmodul, zum elektrischen Trennen des Batteriemoduls von der Verbrauchereinrichtung und zum elektrischen Verbinden des Batteriemoduls mit dem Versorgungsanschluss ansteuern.
In diesem Zusammenhang ist die Verbrauchereinrichtung bevorzugt über das Batteriemodul mit dem Versorgungsanschluss elektrisch koppelbar. Es ergibt sich somit eine Parallelschaltung aus der externen Wechselspannungsquelle, dem Batteriemodul und der Verbrauchereinrichtung, wobei das Batteriemodul zwischen der Wechselspannungsquelle und der Verbrauchereinrichtung angeschlossen ist. Dadurch kann das jeweilige Batteriemodul sozusagen als Zwischenspeicher zum Versorgen der Verbrauchereinrichtung mit elektrischer Energie genutzt werden. Insgesamt ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass teure und aufwendige Leistungswandler, die üblicherweise zum Wandeln der elektrischen Energie von einer externen Wechselspannungsquelle zum Bereitstellen an die Verbrauchereinrichtung benötigt werden, eingespart werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die vorgenannte Ladevorrichtung zum Laden des Batteriemoduls auch als Photovoltaikanlage ausgebildet sein. Dazu ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Energieversorgungsnetz zum Laden des Batteriemoduls eine Photovoltaikanlage umfasst, welche mit dem Batteriemodul elektrisch koppelbar ist.
Unabhängig von dem Ladebetrieb oder dem Entladebetrieb ist bei dem Betrieb des Batteriemoduls vorzugsweise vorgeschlagen, dass die Halbleiterschalter der Batteriezellen im bestimmungsgemäßen Schaltbetrieb zum Bereitstellen der elektrischen Spannung derart betrieben werden, dass eine Beanspruchung der galvanischen Zellen der Batteriezellen gleichmäßig erfolgt. Zum Beispiel können mittels eines Steuergeräts zyklisch unterschiedliche der Batteriezellen der Reihenschaltung aktiviert werden. Somit kann ein Balancing in Bezug auf einen Ladezustand, aber beispielsweise auch in Bezug auf eine Temperatur oder einen Gesundheitszustand und/oder dergleichen der jeweiligen Batteriezellen der Reihenschaltung erreicht werden.
In den folgenden Ausführungsformen wird nun noch einmal auf die Ausgestaltung der elektrischen Verbrauchereinrichtung näher eingegangen. Dabei ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Verbrauchereinrichtung wenigstens einen elektrischen Gleichspannungsverbraucher und/oder wenigstens einen elektrischen Wechselspannungsverbraucher umfasst. Zur elektrischen Energieversorgung ist der wenigstens eine Gleichspannungsverbraucher dabei zum Bereitstellen der elektrischen Gleichspannung bevorzugt direkt an das Batteriemodul elektrisch angeschlossen. Zusätzlich oder alternativ sind der wenigstens eine Wechselspannungsverbraucher und das Batteriemodul in einer elektrischen Parallelschaltung an den vorgenannten Versorgungsanschluss des Energieversorgungsnetzes angeschlossen. Es ergibt sich somit eine elektrische Parallelschaltung des wenigstens einen Wechselspannungsverbrauchers und des Batteriemoduls. Die elektrische Wechselspannung ist somit über das Batteriemodul und/oder den Versorgungsanschluss, also die externe Wechselspannungsquelle, an den wenigstens einen Wechselspannungsverbraucher bereitstellbar. Anders ausgedrückt kann somit ein Aufschalten der Batteriespannung auf die Netzspannung, die mittels der externen Wechselspannungsquelle bereitstellbar ist, erfolgen. Dadurch kann mittels des Batteriemoduls beispielsweise auch eine Blindleistungskompensation für das Energieversorgungsnetz realisiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist im Zusammenhang mit der elektrischen Verbrauchereinrichtung vorgesehen, dass die elektrische Verbrauchereinrichtung eine Ladeinfrastruktur, insbesondere eine Wallbox, zum Laden oder Entladen eines Elektrofahrzeugs umfasst. Bevorzugt kann die Ladeinfrastruktur zum Beispiel als Gleichspannungsladestation (DC-Ladeinfrastruktur) ausgebildet sein. Insbesondere kann die Ladeinfrastruktur in diesem Zusammenhang zusätzlich zum Gleichspannungsschnellladen des Elektrofahrzeugs ausgebildet sein. Es ist aber natürlich auch eine Ausgestaltung der Ladeinfrastruktur als Wechselspannungsladestation (AC-Ladeinfrastruktur) oder einer Kombination davon denkbar.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Nutzer eines Elektrofahrzeugs sein Fahrzeug beispielsweise besonders einfach zu Hause in seinem Heimnetzwerk oder Haushaltsnetz laden und insbesondere schnell laden kann, ohne dass eine aufwendige Schaltungsstruktur mit kostenintensiven und verlustbehafteten Leistungswandlern, wie Wechselrichtern oder Gleichrichtern, notwendig ist. Stattdessen kann die elektrische Energie beispielsweise direkt als elektrische Gleichspannung mittels des Batteriemoduls, welches als Zwischenspeicher für eine elektrische Wechselspannung aus einer externen Wechselspannungsquelle, wie beispielsweise einem allgemeinen Energieversorgungsnetz, dient, erfolgen. Analog kann auf diese Art und Weise natürlich auch ein Entladen des Elektrofahrzeugs über die Ladeinfrastruktur und das Batteriemodul in das allgemeine Energieversorgungsnetz erfolgen. Es ist somit ein bidirektionales Bereitstellen von elektrischer Energie möglich.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung und des erfindungsgemäßen Energieversorgungsnetzes, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung, des erfindungsgemäßen Energieversorgungsnetzes und des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung oder des erfindungsgemäßen Energieversorgungsnetzes hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Energieversorgungsnetzes für einen Haushalt oder eine Industrieanlage mit einer elektrischen Verbrauchereinrichtung, die zur elektrischen Energieversorgung von einer elektrischen Energiequelle versorgt wird;
2 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Ausgestaltungsmöglichkeit einer solchen Energiequelle als Energiespeichervorrichtung mit einem Batteriemodul;
3 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Ausgestaltungsmöglichkeit eines derartigen Batteriemoduls für den Einsatz in einem mehrphasigen Energieversorgungsnetz; und
4 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Ausgestaltungsmöglichkeit einer Batteriezelle für ein solches Batteriemodul;

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes 10 für einen Haushalt und/oder eine Industrieanlage. Bei dem Energieversorgungsnetz 10 handelt es sich somit um ein Haushaltskundennetz oder einen Letztverbrauchernetz. Das Energieversorgungsnetz 10 umfasst wenigstens eine elektrische Verbrauchereinrichtung 12, mit zwei unterschiedlichen, also sich in ihrer jeweiligen elektrischen Eigenschaft unterscheidenden elektrischen Verbrauchern. Einer der Verbraucher ist ein Wechselspannungsverbraucher 12W. Ein zweiter der Verbraucher ist ein Gleichspannungsverbraucher 12G. Bei dem Wechselspannungsverbraucher 12W kann es sich beispielsweise um ein Haushaltsgerät handeln. Bei dem Gleichspannungsverbraucher 12G kann es sich beispielsweise um eine Ladeinfrastruktur zum Gleichspannungsladen eines Elektrofahrzeugs 18 handeln. Das Elektrofahrzeug 18 kann dabei, wie in 1 gezeigt, zur Energieübertragung über die Ladeinfrastruktur an das Energieversorgungsnetz 10 angeschlossen werden.
Um nun die Verbraucher 12W, 12G der Verbrauchereinrichtung 12 mit elektrischer Energie zu versorgen, umfasst das Energieversorgungsnetz 10 vorliegend eine Energiespeichervorrichtung 13 als Energiequelle, die mit dem jeweiligen Verbraucher 12W, 12G elektrisch gekoppelt ist. Im Folgenden wird die Energiespeichervorrichtung 13 auch als Heimenergiespeicher oder Home-Storage-system bezeichnet.
Die Energiespeichervorrichtung 13 umfasst ein mittels eines Steuergeräts 14 steuerbares Batteriemodul 15, welches wenigstens einen Batteriestrang 151 mit einer vorgegebenen Anzahl an elektrisch in Reihe geschalteten und aktivierbaren Batteriezellen 20 aufweist. Mittels des Steuergeräts 14 können die Batteriezellen 20 dabei derart zum Aktivieren und/oder Deaktivieren betrieben oder angesteuert werden, dass mittels des Batteriemoduls 15 in Abhängigkeit von einer elektrischen Eigenschaft der Verbrauchereinrichtung 12, eine Batteriespannung UB als elektrische Wechselspannung und/oder elektrische Gleichspannung bewirkt wird. Anders ausgedrückt, ist mittels der Energiespeichervorrichtung 13 somit eine elektrische Spannung mit beliebiger Kurvenform dynamisch einstellbar. Dadurch kann die Energiespeichervorrichtung 13 sowohl zum Betreiben des Wechselspannungsverbrauchers 12W als auch zum Betreiben des Gleichspannungsverbrauchers 12G genutzt werden. Ausgestaltungsmöglichkeiten des Batteriemoduls 15 zum Umsetzen der vorgenannten Funktion sind in den 2 bis 4 offenbart.
Durch eine derart ausgestaltete Energiespeichervorrichtung 13 kann somit der Einsatz von Leistungswandlern zum Wandeln der Batteriespannung UB, die bei einer klassischen Batterie nur als elektrische Gleichspannung bereitstellbar ist, in eine entsprechende Spannung für den jeweiligen Verbraucher 12W, 12G vermieden werden. Solche Leistungswandler sind nämlich in der Regel aufgrund der benötigten Komponenten kostenintensiv und in ihrem Betrieb verlustbehaftet.
Auch ein Laden des jeweiligen Batteriemoduls 15 der Energiespeichervorrichtung 13 mit einer Wechselspannung oder einer Gleichspannung ist somit ohne den Einsatz oder das Zwischenschalten von Leistungswandlern möglich. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Energieversorgungsnetz 10 als Ladevorrichtung zum Laden des jeweiligen Batteriemoduls 15 eine Photovoltaikanlage 16, die mit der Energiespeichervorrichtung 13 gekoppelt ist. Diese kann zum Versorgen des Batteriemoduls 15 abhängig von einer aktuellen Lichtintensität elektrischer Energie in Form einer Gleichspannung bereitstellen. Pegelschwankungen in der bereitgestellten Gleichspannung können dabei durch zu- oder wegschalten, also aktivieren oder deaktivieren der Batteriezellen 20 kompensiert werden.
Zusätzlich ist in 1 als weitere Energiequelle zumindest für den Wechselspannungsverbraucher und zum als weitere Ladevorrichtung zum Laden des Batteriemoduls 15 noch eine heimenergienetzexterne Wechselspannungsquelle 17 vorgesehen. Die Wechselspannungsquelle 17 ist dazu eingerichtet ist, dem Energieversorgungsnetz 10 eine Netzspannung UQ in Form einer elektrische Wechselspannung zuzuführen. Dazu umfasst das Energieversorgungsnetz 10 einen Versorgungsanschluss 11, über den die Wechselspannungsquelle 17 an das Energieversorgungsnetz 10 angeschlossen ist. Vorliegend sind die elektrische Wechselspannungsquelle 17 und das Energieversorgungsnetz 10 als mehrphasige Energieversorgungsnetze, insbesondere als dreiphasige Energieversorgungsnetze, ausgebildet. Das heißt, das elektrische Energieversorgungsnetz 10 und die elektrische Wechselspannungsquelle 17 umfassen drei Phasenleiter L1, L2, L3, einen Neutralleiter oder Nullleiter N und einen Schutzleiter oder Erdungsleiter PE, die jeweils in dem Versorgungsanschluss 11 aneinander angeschlossen sind.
Zum Nutzen der zugeführten Netzspannung UQ für den Betrieb, ist der Wechselspannungsverbraucher 12W , wie aus 2 ersichtlich, direkt an den Versorgungsanschluss 11 elektrisch angeschlossen. Somit kann die Wechselspannungsquelle 17 zum Betreiben des Wechselspannungsverbraucher 12W genutzt werden.
Um mittels der Wechselspannungsquelle 17 zusätzlich auch die Energiespeichervorrichtung 13 zu laden, ist auch die Energiespeichervorrichtung 13 an den Versorgungsanschluss 11 elektrisch angeschlossen. Wie aus 1 ersichtlich, ist das Anschließen ist dabei derart realisiert, dass sich eine Parallelschaltung des Wechselspannungsverbrauchers 12W und der Energiespeichervorrichtung 13 ergibt.
Um beim Betreiben des Energieversorgungsnetzes 10 alle möglichen Funktionen oder Betriebsmodi der Energiespeichervorrichtung 13, also zum Beispiel den Betrieb als Wechselspannungsquelle und/oder Wechselspannungssenke und/oder Gleichspannungsquelle und/oder Gleichspannungssenke gleichzeitig oder unabhängig voneinander zu realisieren, kann die Energiespeichervorrichtung 13 bevorzugt mehrere solcher schaltbaren oder steuerbaren Batteriemodule 15 umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das jeweilige Steuergerät 14 zudem ausgebildet sein, das jeweilige Batteriemodul 15 entweder in einem Ladebetrieb oder Entladebetrieb oder in einem Gleichspannungsbetrieb oder Wechselspannungsbetrieb zu betreiben, um die jeweils gewünscht Funktion umzusetzen. Dazu kann das Steuergerät 14 nicht nur die Batteriezellen 20 entsprechend dem gewünschtem Betriebsmodus aktivieren oder deaktivieren, sondern das Steuergerät 14 kann zusätzlich beispielsweise auch ein Trennschaltmodul des Energieversorgungsnetzes 10 ansteuern. Das Trennschaltmodul (in 1 nicht dargestellt) kann beispielsweise mehrere elektrische Schalteinheiten, wie beispielsweise mechanische Schalter oder elektrische Halbleiterschalter, umfassen, um das Batteriemodul 15 abhängig von dem jeweiligen Betriebsmodus zu der jeweiligen Verbrauchereinrichtung 12 und/oder der jeweiligen Ladeeinrichtung, wie beispielsweise der Photovoltaikanlage 16 oder der elektrischen Energiequelle 17, zuzuschalten oder davon wegzuschalten.
Für den Einsatz eines Batteriemoduls 15, wie es in 1 gezeigt ist, eignen sich vorzugsweise recycelte oder vormalige Hochvolttraktionsbatterien oder Antriebsbatterien eines Elektrofahrzeugs, die die innovative Smartcell-Technologie nutzen, um die Batteriespannung UB als Wechselspannung oder Gleichspannung bereitzustellen. Durch das Nutzen einer Traktionsbatterie in einer sogenannten „Second Life“ für das Batteriemodul 15 ergibt sich der Vorteil, dass die Energiespeichervorrichtung 15 besonders einfach und günstig für Haushaltskunden, also eine Nutzer, bereitgestellt werden kann. Üblicherweise sind in solchen Traktionsbatterien nämlich Steuerungskonzepte und Kommunikationskonzepte zum Betreiben der Antriebsbatterie für das Bereitstellen der Batteriespannung UB bereits hinreichend getestet und bekannt. Zum Beispiel weist eine solche Antriebsbatterie üblicherweise ein WLAN-Modul auf, welches zur Kommunikation direkt integriert ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit eines Batteriemoduls 15, welches die vorgenannte Smartcell-Technologie nutzt, ist beispielsweise in 2 dargestellt. Die jeweilige Batteriezelle 20 des Batteriemoduls 15 umfasst dabei zwei Zellenanschlüsse 24, 25, eine galvanische Zelle 21 und eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiterschaltern 22, 23. Die galvanische Zelle 21 ist vorliegend als elektrochemische Zelle ausgebildet und weist zwei Elektroden auf, die einen ersten Potentialanschluss und einen zweiten Potentialanschluss ausbilden. In 2 ist die galvanische Zelle 21 als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet. Alternativ kann die galvanische Zelle 21 jedoch auch als Bleisäure-Zelle oder dergleichen ausgebildet sein. Mit dem ersten Potentialanschluss ist die galvanische Zelle dabei mit einem ersten Ende der Reihenschaltung der beiden Halbleiterschalter 22, 23 elektrisch gekoppelt. Mit ihrem zweiten Potentialanschluss ist die galvanische Zelle 21 hingegen mit einem zweiten Ende der Reihenschaltung der Halbleiterschalter 22, 23 elektrisch gekoppelt. Der erste Zellenanschluss 24 der Batteriezelle 20 ist dabei unmittelbar mit dem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle 21 elektrisch gekoppelt. Ein Mittelabgriff der Reihenschaltung der beiden Halbleiterschalter 22, 23 bildet hingegen den zweiten Zellenanschluss 25 der jeweiligen Batteriezelle 20 aus. Der erste und zweite Halbleiterschalter 22, 23 sind vorliegend durch ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor nach Art eines MOSFET ausgebildet. Alternativ ist natürlich auch eine andere Ausgestaltung der Halbleiterschalter 22, 23, beispielsweise als ein IGBT oder dergleichen, denkbar.
Zum Bilden des Energiestrangs 151 sind nun mehrere solcher Batteriezellen 20, vorliegend insbesondere sechs solcher Batteriezellen 20, elektrisch in Reihe geschaltet. Natürlich können zum Bilden des Batteriemoduls 15 in dem Batteriestrang 151 in Abhängigkeit von der gewünschten Gesamtspannung des Batteriemoduls 15 auch mehr oder weniger solcher Batteriezellen aneinander angeschlossen werden. Zum Bilden des Batteriestrangs 151 ist dabei jeweils der erste Zellenanschluss 24 einer der Batteriezellen mit dem zweiten Zellenanschluss 25 der benachbarten Batteriezelle 20 elektrisch gekoppelt. Die jeweiligen Batteriezellen 20 dienen somit als modulares Element zum Bilden oder Aufbauen des Batteriemoduls 15.
In der vorliegenden Ausgestaltung umfasst das Batteriemodul 15, wie aus 2 ersichtlich, somit drei Batterieanschlusspole 26, 27 und 28. Dabei ist der Batteriestrang 151 mit einem ersten Ende an einem ersten der Batterieanschlusspole 26 und mit einem zweiten Ende an einem zweiten der Batterieanschlusspole 27 angeschlossen. Zudem weist der Batteriestrang 151 selbst noch einen Mittelabgriff auf, durch welchen der dritte der Batterieanschlusspole 28 gebildet ist. Dadurch ist der Batteriestrang 151 in zwei Batterieteilstränge 152, 153 untergliedert. Die Batteriezellen 20 sind vorliegend jeweils hälftig einem der beiden Batterieteilstränge 152, 153 zugeordnet.
Durch diese Schaltungsstruktur ist es möglich, mittels des Batteriemoduls 15 eine elektrische Spannung mit beliebiger Kurvenform (z.B. Sinusform) und Amplitude bereitzustellen. Das heißt, es kann sowohl die elektrische Gleichspannung als auch die elektrische Wechselspannung als Batteriespannung UB bereitgestellt werden.
Zum Bereitstellen der elektrischen Gleichspannung sind dabei lediglich der der erste und der zweite Batterieanschlusspol 26, 27 notwendig. Diese können jeweils an ein mit dem Gleichspannungsverbraucher 12G und/oder der Photovoltaikanlage 16 gekoppeltes Pluspotential und ein Minuspotential angeschlossen werden. Der Gleichspannungspegel (Amplitude) wird dann in Abhängigkeit von der Menge an aktuell dem Batteriestrang 151 zugeschalteten oder weggeschalteten Batteriezellen 20 eingestellt.
Das Bereitstellen der elektrischen Wechselspannung ist hingegen durch die Unterteilung des Batteriestrangs 151 in die beiden Teilstränge 152, 153 ermöglicht. Somit kann beispielsweise mittels des ersten Teilstrangs 152 ein positiver Anteil einer sinusförmigen Wechselspannung UB eingestellt werden, während mittels des zweiten Teilstrangs 153 der negative Anteil der Sinuswelle bereitgestellt wird. In der vorliegenden Ausgestaltung ist somit ein unipolarer Betrieb des Batteriemoduls 15 zum Bereitstellen der elektrischen Wechselspannung vorgesehen. Um die Batteriespannung UB als elektrische Wechselspannung beispielsweise an den Wechselspannungsverbraucher 12W bereitzustellen, sind der erste Batterieanschlusspol 26 und der zweite Batterieanschlusspol 27 in einer elektrischen Parallelschaltung an den Nullleiter N, welcher das Bezugspotential des Energieversorgungsnetzes 10 bereitstellt, angeschlossen. Der durch den Mittelabgriff gebildete dritte Batterieanschlusspol 28 ist hingegen an den ersten Phasenleiter L1 des Energieversorgungsnetzes 10 angeschlossen. Dem Grunde nach kann in analoger Weise somit das in 2 gezeigte Batteriemodul 15 auch für das mehrphasige Energieversorgungsnetz 10, wie es in 1 beispielhaft realisiert ist, umgesetzt sein.
Wie in 3 gezeigt, ist dazu jedem der Phasenleiter L1, L2, L3 des Energieversorgungsnetzes 10 ein separater Batteriestrang 1511, 1512, 1513 zugeordnet. Zum Bilden des ersten Batterieanschlusspols 26 und des zweiten Batterieanschlusspols 27 sind die Batteriestränge 1511, 1512, 1513 dabei in einer Sternschaltung jeweils mit einem ersten Ende und einem jeweiligen zweiten Ende in einer Sternschaltung zusammengeschaltet oder zusammengeschlossen. Zum Anschließen an das Energieversorgungsnetz 10 sind der erste Batterieanschlusspol 26 und der zweite Batterieanschlusspol 27 dann wiederum in der elektrischen Parallelschaltung, wie zuvor beschrieben, an den Neutralleiter N angeschlossen. Der durch den jeweiligen Mittelabgriff des Batteriestrangs 1511, 1512, 1513 gebildete dritte Batterieanschlusspol 281, 282, 283 ist hingegen wiederum jeweils einem der Phasenleiter L1, L2, L3 des Energieversorgungsnetzes 10 zugeordnet. Durch entsprechendes Steuern der Batteriezellen 20 des jeweiligen Batteriestrangs 1511, 1512, 1513 kann somit mittels jedem Batteriestrang 1511, 1512, 1513 unabhängig voneinander die jeweilige Batteriespannung UB bereitgestellt werden. Somit kann zum Beispiel, wie in 4 gezeigt, eine Drehspannung, also ein jeweils 120° phasenverschobener Wechselstrom U1, U2, U3 mittels des jeweiligen Batteriestrangs 1511, 1512, 1513 bereitgestellt werden Zum Beispiel der Drehspannung mit Leistungen von bis zu 22 kW erzeugt werden.
Die Funktion des Einstellen der gewünschten Batteriespannung UB übernimmt das Steuergerät 14. Das Einstellen erfolgt dabei durch Aktivieren oder Deaktivieren der Batteriezellen 20, indem die Halbleiterschalter 22, 23 in einem Schaltbetrieb und insbesondere in einem Taktbetrieb betrieben werden. Das heißt, die Halbleiterschalter 22, 23 werden gemäß der gewünschten einzustellenden Batteriespannung UB gemäß einem vorbestimmten Taktmuster oder Schaltmuster in unterschiedliche oder verschiedene Schaltzustände versetzt. Der jeweilige erste Halbleiterschalter 22 wird dabei als Aktivierungsschalter zum Zuschalten oder Aktivieren der jeweiligen Batteriezelle 20 zu dem Batteriestrang 151 eingesetzt. Der jeweilige zweite Halbleiterschalter 23 wird hingegen als Überbrückungsschalter zum Überbrücken der jeweiligen Batteriezelle 20 in dem Batteriestrang 151 eingesetzt.
Je nach Taktmuster oder Schaltmuster können beispielsweise verschiedene oder unterschiedliche Betriebsmodi des Batteriemoduls 15 realisiert werden. In Bezug auf das Bereitstellen der Batteriespannung UB als elektrische Wechselspannung kann zum Beispiel als erster Betriebsmodus ein Mehrpegelbetrieb des Batteriemoduls 15 eingestellt werden. Damit werden die Halbleiterschalter 22, 23 mittels des Steuergeräts derart geschaltet, dass mittels des Batteriemoduls 15 die Funktion als Mehrpegelenergiewandler nachgebildet wird. Das heißt, es ist ein stufenförmiger oder kaskadenförmiger Anstieg oder Abfall der Batteriespannung UB, die zwischen den Batterieanschlusspolen 26, 27, 28 abgreifbar ist, vorgesehen. Es sind also mehrere, insbesondere zwei oder mehr unterschiedliche Pegelstufen der Batteriespannung UB vorgesehen. In einem zweiten, davon verschiedenen Betriebsmodus kann in Bezug auf die elektrische Wechselspannung hingegen auch ein Pulsweitenmodulationsbetrieb des Batteriemoduls 15 realisiert sein. Dabei wird an den Batterieanschlusspol 26, 27, 28 abgreifbare Batteriespannung durch Takten der Halbleiterschalter 22, 23 der Batteriezellen 20 nur zwischen zwei Pegeln oder Pegelstufen hin und her geschaltet. In Abhängigkeit von einem Tastverhältnis ergibt sich dann zur elektrischen Energieversorgung der Verbrauchereinrichtung eine gewünschte, zum Beispiel sinusförmige Kurvenform der Batteriespannung.
In Bezug auf das Bereitstellen der elektrischen Gleichspannung als Batteriespannung UB kann in einem dritten Betriebsmodus ein Haltebetrieb des Batteriemoduls 15 realisiert werden. Dabei werden die Halbleiterschalter 22, 23 mittels des Steuergeräts 14 in Abhängigkeit von dem gewünschten Spannungspegel in einen definierten Schaltzustand, also beispielsweise in einen eingeschalteten oder ausgeschalteten Schaltzustand, geschaltet und dort gehalten.
Wie in 2 und 3 gezeigt, ist jedem der Teilstränge 152, 153 zusätzlich noch eine elektrische Induktivität als Stromspeicherelement 29 zugeordnet. Das jeweilige Stromspeicherelement 29 ist dabei in die Reihenschaltung der Batteriezellen 20 integriert und direkt an den Mittelabgriff angeschlossen. Dadurch wird insbesondere die Batteriespannung, die mittels des Batteriemoduls 15 an die Verbrauchereinrichtung bereitgestellt wird, begrenzt. Zudem hat ein solches Stromspeicherelement 29 auch die Funktion, die bereitgestellte Batteriespannung UB zu glätten.
Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, dass das Batteriemodul 15 zum Bereitstellen der Batteriespannung UB modular durch die Batteriezellen 20 ausgebildet werden kann. Dadurch kann das Batteriemodul 15 auf einfache Weise an spezifische Anwendungen oder Anwendungsfälle angepasst werden. Zum Beispiel kann die Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen 20 an die gewünschte Spannungsstärke oder Amplitude des Batteriemoduls 15 angepasst werden. Gleichzeitig wird es dadurch auch ermöglicht, in hochflexibler Weise unterschiedliche Spannungen und somit insbesondere unterschiedliche Kurvenformen der Batteriespannung UB durch das Batteriemodul 15 bereitstellen zu können. Durch das Batteriemodul 15 bereitgestellte Spannungen können dabei, wie in Bezug auf die mehrphasige Ausgestaltung des Energieversorgungsnetzes 10 beschriebene Ausgestaltung des Batteriemoduls 15 in 3 gezeigt, unabhängig voneinander sein. Je nach Bedarf kann somit eine Vielzahl von unterschiedlichen Batteriespannungen UB bereitgestellt werden.
Um zum Bereitstellen der Batteriespannung UB das Aufteilen des Batteriemoduls 15 in die zwei Batterieteilstränge 152, 153 zu vermeiden, zeigt 4 eine alternative schematische Schaltbilddarstellung einer schaltbaren Batteriezelle 30. Die Batteriezelle 30 dient dabei wiederum als modulares Element zum Aufbau des Batteriemoduls 15. Die Batteriezelle 30 weist dabei anstelle von zwei Zellenanschlüssen vier Zellenanschlüsse 31, 32, 33, 34, die galvanische Zelle 21 und die zwei Halbleiterschalter 20, 23 auf. Der erste Zellenanschluss 31 ist dabei unmittelbar mit dem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle 21 elektrisch gekoppelt. Der zweite Zellenanschluss 32 ist hingegen über den ersten Halbleiterschalter 22 mit dem zweiten Potentialanschluss der galvanischen Zelle 21 gekoppelt. Der dritte Zellenanschluss 33 ist unmittelbar mit dem zweiten Potentialanschluss der galvanischen Zelle 21 elektrisch gekoppelt. Schließlich ist der vierte Zellenanschluss 34 über den zweiten Halbleiterschalter 23 mit dem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle 21 elektrisch gekoppelt.
Zum Bilden des Batteriestrangs ist dabei der erste Zellenanschluss 31 einer Batteriezelle 30 mit einem zweiten Zellenanschluss 32 einer benachbarten Batteriezelle elektrisch gekoppelt. Zudem ist der jeweilige dritte Zellenanschluss 33 der Batteriezelle 30 mit dem vierten Zellenanschluss 34 der benachbarten Batteriezelle elektrisch gekoppelt. Der erste Halbleiterschalter stellt dabei in Bezug mit dem ersten und zweiten Zellenanschluss 31 und 32 die Funktionen des Deaktivierens und Aktivierens der Batteriezelle bereit. Der erste Halbleiterschalter 22 wird somit weiterhin als Aktivierungsschalter, wie bereits im Zusammenhang mit 2 erklärt, eingesetzt. Mit dem zweiten Halbleiterschalter 23 in Verbindung mit dem dritten und vierten Zellenanschluss 33, 34 durch die Batteriezelle 30 kann zusätzlich im Zusammenwirken mit den weiteren Batteriezellen 30 des Batteriestrangs eine Umpolung der jeweiligen Batteriezelle ermöglicht werden. Ein entsprechend ausgestaltetes Batteriemodul mit einer Reihenschaltung von Batteriezellen 30, wie sie in 4 gezeigt sind, umfasst dann anstatt von drei Batterieanschlusspolen (siehe 2) nur noch zwei Batterieanschlusspole. Zum Bilden der beiden Batterieanschlusspole sind dabei der erste und der dritte Zellenanschluss 31, 33 der letzten Batteriezelle 30 in der Reihenschaltung sowie der zweite und der vierte Zellenanschluss 32, 34 der ersten Batteriezelle in der Reihenschaltung zusammengeschlossen.
Durch diese spezielle Schaltungsstruktur der Batteriezelle 30 ist es im Gegensatz zu der Ausgestaltung der Batteriezelle 20 gemäß 3 möglich, die elektrische Spannung, insbesondere die elektrische Wechselspannung, mit nur zwei Batterieanschlusspolen des Batteriemoduls, also ohne Bildung der Teilstränge 152, 153, zu realisieren. Das heißt, je nach Ansteuerung der einzelnen Halbleiterschalter 22, 23 lässt sich sowohl eine positive als auch eine negative Batteriespannung UB erzeugen. Es ist also ein bipolarer Betrieb des Batteriemoduls möglich. Insgesamt beschreiben die Beispiele somit einen neuen Ansatz eines Heimenergiespeichers, also der Energiespeichervorrichtung 13, durch welchen es möglich ist, die Verwendung von Leistungswandlern in Heimnetzen zu minimieren oder vollständig zu vermeiden. Um den Heimenergiespeicher zu realisieren, wird dabei die sogenannte Smartcell-Technologie mit schaltbaren beziehungsweise aktivierbaren Batteriezellen genutzt, und es werden insbesondere ehemalige oder ausgemusterte Fahrzeugbatterien eingesetzt. Durch den Einsatz von solchen Smartcell-Batteriezellen ist es somit möglich, durch entsprechendes Takten der Halbleiterschalter direkt eine sinusförmige Spannung, also beispielsweise eine sinusförmige Wechselspannung und somit auch einen sinusförmigen Wechselstrom, für einen elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise den Wechselspannungsverbraucher 12W, in dem Energieversorgungsnetz 10 zu erzeugen. Diese Wechselspannung (üblicherweise 230 V bei 50 Hz) kann somit in dem Energieversorgungsnetz 10 zur Selbstversorgung genutzt werden. Es ist also ein sogenannter Inselbetrieb mittels der Energiespeichervorrichtung 13 möglich. Alternativ kann die Wechselspannung natürlich auch das allgemeine Energieversorgungsnetz eingespeist werden.
Insgesamt zeigen die vorliegenden Beispiele einen Heimspeicher, mit dem sowohl Wechselspannungsverbraucher als auch Gleichspannungsverbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden können, ohne dass teure und leistungsintensive Leistungswandler in das Energieversorgungsnetz 10 integriert werden brauchen. Dem Grunde nach sind mit einem solchen Heimspeicher jedoch nicht nur ein Versorgen von Verbrauchern, sondern natürlich auch ein Laden in Form einer elektrischen Wechselspannung oder Gleichspannung möglich. In den vorgenannten Ausführungsbeispielen geht es also insbesondere um einen Smartcell-Home-Storage (Heimspeicher) für bidirektionales Laden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2784897 A1 [0003]
US 2014/0015488 A1 [0004]
DE 102014220062 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Verbrauchereinrichtung (12, 12W, 12G) in einem Energieversorgungsnetz (10) eines Haushalts und/oder einer Industrieanlage, wobei die elektrische Verbrauchereinrichtung (12, 12W, 12G) mittels einer Energiequelle mit einer vorgegebenen elektrischen Spannung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle in dem Energieversorgungsnetz (10) angeordnet ist und ein steuerbares Batteriemodul (15) mit einem Steuergerät (14) und wenigstens einem Batteriestrang (151) mit einer vorgegebene Anzahl an elektrisch in Reihe geschalteten, aktivierbaren Batteriezellen (20, 30) umfasst, wobei die Batteriezellen (20, 30) mittels des Steuergeräts (14) derart zum Aktivieren und/oder Deaktivieren betrieben werden, dass mittels des Batteriemoduls (15) in Abhängigkeit von einer elektrischen Eigenschaft der Verbrauchereinrichtung (12, 12W, 12G) die vorgegeben elektrische Spannung (UB) als elektrische Wechselspannung und/oder als elektrische Gleichspannung bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für das Batteriemodul (15) zumindest teilweise eine Antriebsbatterie eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, wobei zum Auswählen der Antriebsbatterie wenigstens ein Betriebsparameter der Antriebsbatterie gemäß einem vorbestimmten Auswahlkriterium ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei gemäß dem Auswahlkriterium geprüft wird, ob zumindest ein jeweiliger Betriebswert eines der jeweiligen Betriebsparameter einen vorbestimmten Normwertebereich für den Einsatz in dem Kraftfahrzeug verlässt und/oder zumindest ein jeweiliger Betriebswert des wenigstens einen Betriebsparameters innerhalb eines jeweiligen vorbestimmten weiteren Normwertebereichs für den Einsatz in dem Energieversorgungsnetz (10) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als der wenigstens eine Betriebsparameter ein Prozentsatz an funktionseingeschränkten und/oder funktionsunfähigen Batteriezellen (20, 30) der Antriebsbatterie und/oder eine maximale Batteriespannung und/oder eine Stabilität der Batteriespannung und/oder eine Batteriekapazität und/oder eine vorbestimmte Lebensdauer und/oder eine Ladedauer und/oder eine Maximaltemperatur und/oder eine Rüttelfestigkeit und/oder eine Stoßfestigkeit ausgewertet wird.
Energieversorgungsnetz (10) für einen Haushalt und/oder einer Industrieanlage, umfassend eine elektrische Verbrauchereinrichtung (12, 12W, 12G), die ausgebildet ist mittels einer Energiequelle mit einer vorgegebenen elektrischen Spannung beaufschlagt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle in dem Energieversorgungsnetz (10) angeordnet ist und ein steuerbares Batteriemodul (15) mit einem Steuergerät (14) und wenigstens einem Batteriestrang (151) mit einer vorgegebene Anzahl an elektrisch in Reihe geschalteten, aktivierbaren Batteriezellen (20, 30) umfasst, wobei das Steuergerät (14) ausgebildet ist, die Batteriezellen (20, 30) derart zum Aktivieren und/oder Deaktivieren zu betreiben, dass das Batteriemodul (15) die vorgegeben elektrische Spannung (ÜB) als elektrische Wechselspannung und/oder als elektrische Gleichspannung bewirkt.
Energieversorgungsnetz (10) nach Anspruch 5, wobei das Batteriemodul (15) wenigstens zwei Batterieanschlusspole umfasst, wobei der wenigstens eine Batteriestrang mit einem ersten Ende an einen ersten der wenigstens zwei Batterieanschlusspole und mit einem zweiten Ende an einen zweiten der wenigstens zwei Batterieanschlusspole angeschlossen ist, und die jeweilige Batteriezelle vier Zellenanschlüsse (31, 32, 33, 34), eine galvanische Zelle (21) und zwei Halbleiterschalter (22, 23) umfasst, wobei ein erster der Zellenanschlüsse (31) unmittelbar mit einem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle (21), ein zweiter der Zellenanschlüsse (32) über einen ersten der Halbleiterschalter (22) mit einem zweiten Potentialanschluss der galvanischen Zelle (21), ein dritter der Zellenanschlüsse (33) unmittelbar mit dem zweiten Potentialanschluss und ein vierter der Zellenanschlüsse (34) über einen zweiten der Halbleiterschalter (23) mit dem ersten Potentialanschluss elektrisch gekoppelt ist, wobei zum Bilden des Batteriestrangs jeweils der erste Zellenanschluss (31) einer jeweiligen ersten der Batteriezellen (30) mit dem zweiten Zellenanschluss (32) einer jeweiligen zweiten der Batteriezellen (30) und jeweils der dritte Zellenanschluss (33) der jeweiligen ersten der Batteriezellen (30) mit dem vierten Zellenanschluss (34) der jeweiligen zweiten der Batteriezellen (30) elektrisch gekoppelt ist, und das Steuergerät (14) ausgebildet ist, die Halbleiterschalter (22, 23) in Abhängigkeit von der bereitzustellenden Spannung (UB) in einem vorgegebenen Schaltbetrieb zu betreiben.
Energieversorgungsnetz (10) nach Anspruch 5, wobei das Batteriemodul (15) wenigstens drei Batterieanschlusspole (26, 27, 28) umfasst, wobei der wenigstens eine Batteriestrang (151) mit einem ersten Ende an einen ersten der wenigstens drei Batterieanschlusspole (26) und mit einem zweiten Ende an einen zweiten der wenigstens drei Batterieanschlusspole (27) und mit einem Mittelabgriff an einen dritten der wenigstens drei Batterieanschlusspole (28) angeschlossen ist, und die jeweilige Batteriezelle (20) zwei Zellenanschlüsse (24, 25), eine galvanische Zelle (21) und einer Reihenschaltung aus zwei Halbleiterschaltern (22, 23) umfasst, wobei ein erster Potentialanschluss der galvanischen Zelle (21) mit einem ersten Ende der Reihenschaltung und ein zweiter Potentialanschluss der galvanischen Zelle (21) mit einem zweiten Ende der Reihenschaltung elektrisch gekoppelt ist, wobei ein erster der Zellenanschlüsse (24) unmittelbar mit dem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle (21) und ein zweiter der Zellenanschlüsse (25) mit einem Mittelabgriff der Reihenschaltung elektrisch gekoppelt ist, und zum Bilden des Batteriestrangs (151) jeweils der erste Zellenanschluss (24) einer jeweiligen ersten der Batteriezellen (20, 30) mit dem zweiten Zellenanschluss (25) einer jeweiligen zweiten der Batteriezellen (20, 30) elektrisch gekoppelt ist, und das Steuergerät (14) ausgebildet ist, die Halbleiterschalter (22, 23) in Abhängigkeit von der bereitzustellenden Spannung (UB) in einem vorgegebenen Schaltbetrieb zu betreiben.
Energieversorgungsnetz (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Steuergerät (14) ausgebildet ist, das Batteriemodul (15) zum Bewirken der elektrischen Wechselspannung durch Betreiben der Halbleiterschalter (22, 23) in einem jeweils vorbestimmten Taktbetrieb in einem Mehrpegelbetrieb und/oder einem Pulsweitenmodulationsbetrieb zu betreiben.
Elektrisches Energieversorgungsnetz (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Steuergerät (14) ausgebildet ist, die Halbleiterschalter (22, 23) in Abhängigkeit von der einzustellenden elektrischen Gleichspannung in einen vorbestimmten Schaltzustand zu schalten.
Energieversorgungsnetz (10) nach einem Ansprüche 5 bis 9, wobei das Steuergerät (14) ausgebildet ist, das Batteriemodul (15) entweder in einem Ladenbetrieb zum Laden des Batteriemoduls (15) oder in einem Entladebetrieb zum Bereitstellen vorgegebenen elektrischen Spannung (UB) an die Verbrauchereinrichtung (12, 12W, 12G) zu betreiben.
Energieversorgungsnetz (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei das Energieversorgungsnetz (10) einen Versorgungsanschluss (11) zum Bereitstellen einer elektrischen Wechselspannung aus einem allgemeinen Energieversorgungsnetz (17) umfasst, und das Batteriemodul (15) zum Laden mit dem Versorgungsanschluss (11) koppelbar ist.
Energieversorgungsnetz (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei das Energieversorgungsnetz (10) zum Laden des Batteriemoduls (15) eine Photovoltaikanlage (16) umfasst, welche mit dem Batteriemodul (15) elektrisch koppelbar ist.
Energieversorgungsnetz (10) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Verbrauchereinrichtung (12, 12W, 12G) wenigstens einen elektrischen Gleichspannungsverbraucher (12G) und/oder wenigstens einen elektrischen Wechselspannungsverbraucher (12W) umfasst, wobei der wenigstens eine Gleichspannungsverbraucher (12G) zum Bereitstellen der elektrischen Gleichspannung an das Batteriemodul (15) elektrisch angeschlossen ist, und/oder das Batteriemodul (15) und der wenigstens eine Wechselspannungsverbraucher(12W) in einer elektrischen Parallelschaltung an den Versorgungsanschluss (11) des Energieversorgungsnetzes (10) angeschlossen sind, und die elektrische Wechselspannung über das Batteriemodul (15) und/oder den Versorgungsanschluss (11) an den wenigstens einen Wechselspannungsverbraucher (12W) bereitstellbar ist.
Energieversorgungsnetz (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 13, wobei die Verbrauchereinrichtung (12, 12W, 12G) eine Ladeinfrastruktur, insbesondere eine Wallbox, zum Laden oder Entladen eines Elektrofahrzeugs umfasst.
Energiespeichervorrichtung (13) zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Verbrauchereinrichtung (12, 12W, 12G) in einem Energieversorgungsnetz (10) eines Haushalts und/oder einer Industrieanlage, umfassend ein steuerbares Batteriemodul (15) mit einem Steuergerät (14) und wenigstens einem Batteriestrang (151) mit einer vorgegebene Anzahl an elektrisch in Reihe geschalteten, aktivierbaren Batteriezellen (20, 30) umfasst, wobei das Steuergerät (14) ausgebildet ist, die Batteriezellen (20, 30) derart zum Aktivieren und/oder Deaktivieren zu betreiben, dass das Batteriemodul (15) die vorgegeben elektrische Spannung (ÜB) als elektrische Wechselspannung und/oder als elektrische Gleichspannung bewirkt.