DE102021113937A1

DE102021113937A1 - Energiesystem

Info

Publication number: DE102021113937A1
Application number: DE102021113937.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kündiger
Original assignee: Bos Balance Of Storage Systems AG
Current assignee: Bos Balance Of Storage Systems AG
Priority date: 2021-05-29
Filing date: 2021-05-29
Publication date: 2022-12-01
Also published as: EP4348792A1; WO2022253695A1; AU2022285815A1

Abstract

Energiesystem mit mindestens einem Energiespeicher (1) zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens einem Wechselrichter (6), wobei das Energiesystem hinsichtlich Energiespeicher (1) und/oder Wechselrichter (6) modular aufgebaut ist, sowie Verwendung des Energiesystems bei der Bildung eines Inselnetzes mit durch Verwendung einen nicht galvanisch getrennten DC/AC Wandlers besonders geringen Standby-Verlusten und gerade im unteren Teillastbereich einem hohen Wirkungsgrad, sowie Verwendung des Energiesystem, wobei innerhalb der Schutzkleinspannung die Einbindung von Energiequellen wie beispielsweise von PV Modulen ermöglicht wird, wie dies im Caravan und Wohnmobilbereich oftmals erwünscht ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Energiesystem mit mindestens einem Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens einem Wechselrichter.
Elektrische Energie wird in zunehmendem Maße aus erneuerbaren Energien gewonnen, deren unregelmäßige Erträge einen wachsenden Bedarf an Energiespeichern bedeuten.
In der wichtigen Gruppe der elektrochemischen Energiespeicher gibt es neben marktüblichen Blei- und Lithium-Akkumulatoren auch zunehmend neu entwickelte und/oder sich neu durchsetzende Speicher die sehr unterschiedliche technische Eigenschaften aufweisen. Diese umfassen auch Redox-Flow-Batterien und auch bidirektional arbeitende Energiewandler wie Elektrolyseure und Brennstoffzellen mit den entsprechenden Speichern.
Zudem nimmt der Bedarf, einen Teil der Energie, sowie Überschüsse, in andere Speicher wie thermische Speicher für Warmwasserbereitung, Massenspeicher in der Gebäudeklimatisierung oder auch räumlich getrennten elektrochemischen Speichern zu speichern. Hinzu kommen mobile Speicher, wie sie in Elektrofahrzeugen verbaut sind.
Beim Einsatz von einem oder mehreren Speichern und einem AC Netz bzw. erneuerbaren Energien ist jedem Speicher eine Schaltung zugeordnet, welche die Aufgabe hat beim Laden des Energiespeichers die Energie aus dem AC Netz oder aus der erneuerbaren Energie in die speicherseitig vorliegende Gleichspannung umzuformen, sowie bei Entladung die speicherseitige Gleichspannung in eine AC Netzspannung umzuwandeln, die bei Vorhandensein eines AC Netzes mit diesem synchronisiert ist, oder im Fall eines Inselnetzes netzbildend ausgeführt ist.
Es sind viele Batterie-Wechselrichter bekannt, die Energie entweder aus erneuerbarer Energie und einem einzelnen Speicher in ein vorhandenes Energienetz einspeisen können, und teilweise auch netzbildend als Insel-Wechselrichter (Offgrid-Wechselrichter) eingesetzt werden können. Diese Schaltungen weisen einen von mehreren Betriebsparametern abhängigen Wirkungsgrad auf, der oft nur in relativ engen Grenzen um den typischen Betriebsfall akzeptabel ist.
Vor allem beim Einsatz in einem Inselnetz ist der Betrieb im unteren Teilast-Bereich und im Standby sehr häufig. Dabei sinkt der Wirkungsgrad üblicher Wandlerschaltungen gerade in diesen Einsatzszenarien sehr stark ab.
Solche Inselnetze sind abseits vom öffentlichen Stromnetz als Einzelanlagen, im Zusammenschluss zum Minigrid oder auch verstärkt in mobilen Anwendungen wie Wohnmobilen oder tragbaren Geräten, sowie in Ländern/Gegenden mit instabilem Stromnetz als Notstromversorgung in Verwendung.
Bei Einbindung eines weiteren Energiespeichers oder weiteren Wandlers bedeutet das zusätzlich weitere Wandlungsverluste und noch größeren Energiebedarf im Standby. Der Wirkungsgrad sinkt weiter.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Energiesystem zu schaffen, welches in einem weiten Einsatzbereich einen guten Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Energiesystem hinsichtlich Energiespeicher und/oder Wechselrichter modular aufgebaut ist.
Durch den modularen Aufbau kann das Energiesystem an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst werden.
Dabei hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens ein Batteriespeicher mit wenigstens einem Batteriemodul vorgesehen ist, wobei die einzelnen Batteriemodule innerhalb der Grenzen der Schutzkleinspannung ausgelegt sind.
Damit wird sichergestellt, daß sich auch einzelne Batteriemodule selbst von ungeschulten Anwendern gefahrlos ausgetauscht, eingesetzt und erweitert werden können.
Sehr vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Batteriemodule eines Batteriespeichers in Reihe und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
Hierdurch wird einerseits durch die Reihenschaltung eine höhere Ausgangsspannung des Batteriespeichers gewährleistet, so daß bei der DC/AC Wandlung ein kleineres Übersetzungsverhältnis notwendig ist und andererseits durch die Parallelschaltung die notwendige Leistung zur Verfügung gestellt wird.
Weiterhin hat es sich gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn ein Ladungsausgleich der einzelnen Batteriemodule eines Batteriespeichers vorgesehen ist.
Mittels dieses Ladungsausgleichs wird sichergestellt, daß die einzelnen Batteriemodule jeweils optimal geladen und entladen werden und so der Verschleiß der Batteriemodule minimiert wird.
Äußerst vorteilhaft ist es gemäß einer Fortbildung der Erfindung auch, wenn für jeden Batteriespeicher oder jedes Batteriemodul ein DC/DC Wandler vorgesehen ist, der galvanisch entkoppelt ausgeführt sein kann.
Durch Reihenschaltung einzelner Batteriemodule wird die Ausgangsspannung des jeweiligen Batteriespeichers bzw. Batteriemoduls an die gewünschte Ausgangsspannung und Eingangsspannung des DC/AC Wandlers angepasst. Durch die galvanische Entkopplung über den DC/DC Wandler wird eine frei wählbare Spannung, in der Regel eine Schutzkleinspannung potentialfrei bereitgestellt. Wird der DC/DC Wandler bidirektional ausgeführt, so lassen sich auch die Batteriemodule hierüber auch laden.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt auch vor, wenn ein DC/DC Wandler vorgesehen ist, welcher eine erste Systemspannung erzeugt, die höher, niedriger oder gleich sein kann wie die Spannung einzelner oder mehrerer Batteriemodule, wobei der DC/DC Wandler eine galvanische Trennung aufweisen und bidirektional ausgeführt sein kann.
Durch diesen DC/DC Wandler wird eine Systemspannung definiert, welche einen optimalen Betrieb des Systems und auch die gesteuerte Ladung und Entladung der weiteren Energiespeicher ermöglicht. Zudem kann Energie zwischen den Batteriemodulen ausgetauscht oder durch einen DC Generator oder dergleichen das System geladen werden. Durch Regelung der DC/DC Wandler kann ein definierter und gesteuerter Ladungsausgleich zwischen den Batteriemodulen stattfinden.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß sehr vorteilhaft, wenn ein DC/AC Wandler vorgesehen ist, der bidirektional ausgeführt sein kann.
Hierdurch lässt sich das Energiesystem auch mit einem Wechselstromnetz verbinden. Dreiphasige Ausführungen sind denkbar.
Äußerst vorteilhaft ist es erfindungsgemäß auch, wenn mehrere DC/AC und/oder DC/DC Wandler vorgesehen sind.
Diese Wandler können nebeneinander, aber auch alternativ genutzt werden. Die Schaffung von DC und AC Netzen ist so möglich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es auch sehr vorteilhaft, wenn je nach Betriebszustand des Energiesystems der jeweilige Wandler bzw. die jeweilige Wandlerkombination ausgewählt werden, wobei derjenige Wandler bzw. diejenige Wandlerkombination ausgewählt werden kann, welche die geringsten Verluste aufweist.
Hiermit kann einerseits eine Leistungsskalierung aber auch eine Verlusteminimierung stattfinden. Das Energiesystem kann so jederzeit im optimalen Bereich betrieben werden.
Es hat sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn je nach Betriebszustand des Energiesystems eine Leistungsbegrenzung vorgesehen ist.
Damit wird eine Überlastung der einzelnen Komponenten verhindert.
Äußerst vorteilhaft ist es auch, wenn das System so ausgelegt ist, daß vorgesehene Schutzeinrichtungen vorzugsweise selektiv auslösen.
Hierdurch wird sichergestellt, daß ein wirksamer Anlagen- und Personenschutz gegeben ist. Im Fehlerfall kann auch die Leistung des System kurzzeitig so reguliert werden, daß die Sicherheitseinrichtungen auslösen können, sprich Kurzschlußströme bereitgestellt werden, was gerade im Inselbetrieb zur Auslösung von Leitungsschutzschaltern und Schmelzsicherungen notwendig ist. Die Leistungsbegrenzung wird dabei verzögert aktiviert, die sonst sofort auch zur Abschaltung des Systems führen würde.
Eine weitere sehr vorteilhafte Fortbildung der Erfindung liegt auch vor, wenn eine effiziente Ladeelektronik zur Ladung des Batteriespeichers vorgesehen ist, wobei diese auch als einfache Gleichrichterschaltung mit entsprechender Anpassung der Spannung des Batteriespeichers ausgeführt sein kann.
Es ist zum Beispiel denkbar, den Batteriespeicher auf eine Spannung knapp unterhalb der Netzspannung, das heisst bei einem 230V Netz auf 150 bis 200V auszulegen, so daß eine Ladung über eine einfache, auch getaktete Gleichrichterschaltung realisierbar ist. Die Ladeelektronik kann in den DC/AC Wandler integriert sein. So kann im Fall eines instabilen Stromnetzes dennoch Energie aus dem Netz bezogen werden während der DC/AC Wandler für die Bildung einer stabilen AC Ausgangsspannung zur Versorgung der Lasten verwendet wird.
Eine weitere sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt vor, wenn das Energiesystem verschiedene Energiequellen auf AC und/oder DC Seite und/oder verschiedene Energiespeicher, insbesondere Batteriespeicher mit Modulen aus Lithium Akkumulatoren, vorzugsweise LiFePO4 Akkumulatoren, Bleiakkus, Redox-Flow-Batterien oder anderen Speichertypen kombiniert.
Mehrere Energiequellen und mehrere Batteriespeicher können miteinander vernetzt werden. Zudem ist es möglich auch unterschiedliche Speichersysteme miteinander zu verbinden, wobei diese auch räumlich voneinander getrennt sind. So können die unterschiedlichen Eigenschaften unterschiedlicher Speichersysteme und -typen miteinander so verbunden werden, daß diese optimal arbeiten. Hierzu werden in der Regel mehrere separat gesteuerte DC/DC Wandler kombiniert. Der Einsatz eines DC/DC Wandlers, der als Photovoltaik Laderegler mit PWM Regelung oder MPPT Tracking ausgebildet sein kann, ist denkbar. Dieser wird in der gleichen DC Spannungsebene wie der Wechselrichter angeschlossen, womit auch hier ein besonders günstiges Spannungsverhältnis zwischen PV Spannung und Batteriespannung gewählt werden kann.
Dabei hat es sich erfindungsgemäß als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die Wandlermodule für jede Energiequelle bzw. jeden Energiespeicher auf dessen Eigenschaften beispielsweise hinsichtlich Leistung ausgelegt sind.
Dadurch kann beispielsweise ein erster Batteriespeicher mit Modulen aus Lithium-Akkumulatoren insbesondere LiFePO4 Zellen vorgesehen werden, während ein zweiter Batteriespeicher mit einem Bleiakku, dem Bordnetz eines Fahrzeugs oder einem Speicher mit guten Langzeiteigenschaften insbesondere einer Redox-Flow Batterie versehen ist. Die Energieflüsse im DC/AC Wandler zum ersten Speicher sind entsprechend den Eigenschaften des Batteriespeichers deutlich größer als die Energieflüsse im DC/DC Wandler bzw. zu den zweiten Batteriespeichern, was sich besonders positiv auf die Effizienz und die Herstellkosten der Komponenten auswirkt, aber auch die Lebenszeit der einzelnen Speicher verlängert.
Gemäß einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist es auch sehr vorteilhaft, wenn die Energiequellen über den DC/DC Wandler galvanisch entkoppelt sind.
Hierdurch wird die erwünschte Sicherheit, Potentialfreiheit und der Ausgleich von Energie zwischen Batteriemodulen auf verschiedenen Spannungsebenen gewährleistet. Dennoch kann der DC/AC Wandler ohne galvanische Trennung und mit höherer Spannung durch Reihenschaltung der Batteriemodule einfach und kostengünstig aufgebaut werden.
Äußerst vorteilhaft ist es erfindungsgemäß auch, wenn über den DC Kreis eine Energieverteilung zwischen den einzelnen Energiequellen bzw. Energiespeichern vorgesehen ist.
Durch die Energieverteilung auf DC Ebene muss nicht erst eine DC/AC Wandlung und Rückwandlung mit den entsprechenden Verlusten vorgenommen werden.
Weiterhin hat es sich erfindungsgemäß als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn der DC Kreis hinsichtlich seiner Spannung so ausgelegt ist, daß der DC/AC Wandler nur ein kleines Übersetzungsverhältnis hinsichtlich der Spannung aufweist oder keine Spannungsübersetzung vornehmen, sondern nur die Wechselspannung formen muss.
Dadurch werden unnötige Verluste und zusätzlicher Aufwand durch einen 400V Zwischenkreis beim DC/AC Wandler vermieden. Zudem lässt sich dieser kostengünstig und auf einfache Art und Weise bauen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung liegt auch vor, wenn der DC Wandler nur ein kleines Übersetzungsverhältnis hinsichtlich der Spannung aufweist.
Hierdurch werden ebenfalls unnötige Verluste vermieden und eine kostengünstige und einfache Bauart des Wandlers ermöglicht. Eine hohe Effizienz ist sichergestellt.
Beides zusammen, die Kombination aus mehreren galvanisch getrennten DC/DC Wandlern an den einzelnen Batteriemodulen und der Reihenschaltung der Batteriemodule zur Versorgung des DC/AC Wandlers, ermöglicht, daß Energie auch aus einem 12V/ 24V DC System insbesondere DC Bordnetze von Fahrzeugen sehr effizient in 230V AC umgewandelt werden kann
Äußerst vorteilhaft ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch, wenn die Schaltungen der Wandler so aufgebaut sind, daß die Minuspole der Gleichspannungssysteme dem Neutralleiter der Wechselspannungssysteme entsprechen und so ein gemeinsames Bezugspotential vorliegt.
Durch das gemeinsame Bezugspotential können unerwünschte Probleme durch unterschiedliche Potentiale vermieden werden.
Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wenn zwei oder mehr Speichersysteme antisymmetrisch angeordnet sind und jedes der beiden Speichersysteme einen DC/AC Wandler zugeordnet hat, der jeweils eine Halbwelle der Wechselspannung erzeugt und wenn der Neutralleiter des Wechselspannungssystem ein gemeinsames Bezugspotential mit der Mitte der Speichermodule aufweist.
Hierdurch kann der Wandlungsaufwand DC/AC nochmals deutlich verringert werden. Mit einem einfachen Buck-Boost-Wandler kann direkt aus jedem Batteriespeicher eine Halbwelle geformt werden, ohne dass die negative Halbwelle durch eine Potentialänderung der DC Seite oder eine aufwendigere Schaltung realisiert werden muss. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn auch in der negativen Halbwelle der maximale Strom der Batterie direkt als Kurzschlusstrom auf AC Seite bereitgestellt werden soll, ohne zuerst in einer Spule bzw. elektronischen Schaltung gewandelt zu werden. Der Mittelabgriff zwischen den Speichermodulen ist dann das Bezugspotential für den Neutralleiter des Wechselspannungssystems.
Äußerst vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, wenn Speichersysteme mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere Langzeitspeichersysteme und Kurzzeitspeichersysteme miteinander kombiniert sind, wobei vorgesehen sein kann, daß nur die AC und die durch den DC/DC Wandler galvanisch getrennten DC Anschlüsse abgreifbar sind, ohne einen direkten Zugriff auf die Speichermodule zur Verfügung zu stellen.
Damit können die Vorteile beider Speichersysteme miteinander kombiniert werden. Die Speichersysteme können dabei auch räumlich getrennt voneinander angeordnet sein. Die Klemmen der Speichermodule sind geschützt, so daß es nicht zu unerwünschten Effekten oder gar zu Personenschäden oder der Beschädigung der Speichermodule bzw. des Systems kommen kann. Gerade Lithium-Akkumulatoren sind hier zu schützen. Eine Interaktion mit dem Bordnetz von Fahrzeugen ist denkbar. Zudem können die Komponenten, insbesondere der DC/DC Wandler deutlich kleiner und günstiger als der DC/AC Wandler dimensioniert sein.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt auch vor, wenn mehrere autarke Energiesysteme wenigstens zeitweise zu einem Gesamtsystem kombiniert sind, wobei die Energiesysteme auch räumlich getrennt angeordnet sein können.
Je nach Bedarf und Energieverfügbarkeit kann so ein flexibles System geschaffen werden.
Äußerst vorteilhaft ist es erfindungsgemäß auch, wenn eine Steuerungseinheit für jedes Energiesystem oder auch übergeordnet über mehrere Energiesysteme vorgesehen ist.
Diese Steuereinheit sorgt für den ordnungsgemäßen und effizienten Betrieb der einzelnen Systeme und auch mehrerer Energiesysteme im Verbund. Die Steuereinheit kann dabei als separate Einheit vorgesehen sein oder aber auch in das jeweilige Energiesystem, die Wandlereinheit oder einen Batteriespeicher integriert sein.
Eine sehr vorteilhafte Verwendung liegt vor, wenn das Energiesystem bei der Bildung eines Inselnetzes durch den nicht galvanisch getrennten DC/AC Wandler besonders geringe Standby-Verluste und gerade im unteren Teillastbereich einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Hiermit werden unnötige Verluste vermieden. Die Bildung eines effizienten Inselnetzes, beispielsweise als reines Inselnetz oder auch bei schwankenden und instabilen Stromversorgungen wird hiermit ermöglicht.
Eine weitere erfindungsgemäß sehr vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Energiesystems liegt auch vor, wenn das Energiesystem innerhalb der Schutzkleinspannung die Einbindung von Energiequellen wie beispielsweise von PV Modulen ermöglicht, wie dies im Caravan und Wohnmobilbereich oftmals erwünscht ist.
Hierdurch werden gerade in diesen Bereichen, aber auch in allen anderen Anwendungsfällen Möglichkeiten geschaffen, Energie aus Kleinspannungsquellen in das Energiesystem einzuspeisen. Es ist dabei auch denkbar, daß die Einspeisung auch auf unterschiedlichen Spannungsniveaus stattfindet, die durch entsprechende Zusammenschaltung der Batteriemodule bereitgestellt werden. Wichtig ist in diesem Fall die galvanische Trennung zwischen Batteriemodul und zur Verfügung gestelltem Spannungsniveau.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele veranschaulicht.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiesystems,
2 eine schematische Darstellung der Schaltung eines innovativen Wechselrichters,
3 eine schematische Darstellung der Schaltung zweier Wechselrichter, die mit festgelegtem, mittigem Potential eine Wechselspannung generieren,
4 eine schematische Darstellung einer erzeugten Sinuskurve, die einen getakteten und einen ungetakteten Anteil aufweist, und
5 eine schematische Darstellung der Schaltung eines einfachen, zweistufigen DC/AC Wandlers.

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Energiespeichersystem zur Speicherung elektrischer Energie sowie eine verbesserte Schaltungsanordnung zur Einbindung eines oder mehrerer Energiespeicher und Energiequellen, wie Photovoltaik, an einem AC Netz.
Elektrische Energie wird in zunehmendem Maße aus erneuerbaren Energien gewonnen, deren unregelmäßige Erträge einen wachsenden Bedarf an Energiespeichern bedeuten.
In der wichtigen Gruppe der elektrochemischen Energiespeicher gibt es neben marktüblichen Blei- und Lithium-Akkumulatoren auch zunehmend neu entwickelte und/oder sich neu durchsetzende Speicher die sehr unterschiedliche technische Eigenschaften aufweisen. Hierzu gehören insbesondere Redox-Flow-Batterien und Brennstoffzellen.
Zudem nimmt der Bedarf, einen Teil der Energie, sowie Überschüsse, in andere Speicher wie thermische Speicher für Warmwasserbereitung, Massenspeicher in der Gebäudeklimatisierung oder auch räumlich getrennten elektrochemischen Speichern zu speichern. Hinzu kommen mobile Speicher, wie sie in Elektrofahrzeugen verbaut sind.
Beim Einsatz von einem oder mehreren Speichern und einem AC Netz bzw. erneuerbaren Energien ist jedem Speicher eine Schaltung zugeordnet, welche die Aufgabe hat beim Laden des Energiespeichers die Energie aus dem AC Netz oder aus der erneuerbaren Energie in die speicherseitig vorliegende Gleichspannung umzuformen, sowie bei Entladung die speicherseitige Gleichspannung in eine AC Netzspannung umzuwandeln, die bei Vorhandensein eines AC Netzes mit diesem synchronisiert ist, oder im Fall eines Inselnetzes netzbildend ausgeführt ist.
Es sind viele Batterie-Wechselrichter bekannt, die Energie entweder aus erneuerbarer Energie und einem einzelnen Speicher in ein vorhandenes Energienetz einspeisen können, und teilweise auch netzbildend als Insel-Wechselrichter (Offgrid-Wechselrichter) eingesetzt werden können. Diese Schaltungen weisen einen von mehreren Betriebsparametern abhängigen Wirkungsgrad auf, der oft nur in relativ engen Grenzen um den typischen Betriebsfall akzeptabel ist.
Vor allem beim Einsatz in einem Inselnetz ist der Betrieb im unteren Teilast-Bereich und im Standby sehr häufig. Dabei sinkt der Wirkungsgrad üblicher Wandlerschaltungen gerade in diesen Einsatzszenarien sehr stark ab.
Solche Inselnetze sind abseits vom öffentlichen Stromnetz als Einzelanlagen, im Zusammenschluss zum Minigrid oder auch verstärkt in mobilen Anwendungen wie Wohnmobilen oder tragbaren Geräten, sowie in Ländern/Gegenden mit instabilem Stromnetz als Notstromversorgung in Verwendung.
Bei Einbindung eines weiteren Energiespeichers oder weiteren Wandlers bedeutet das zusätzlich weitere Wandlungsverluste und noch größeren Energiebedarf im Standby. Der Wirkungsgrad sinkt weiter.
Damit der Wechselrichter die Batterie aus dem AC Netz laden und Energie ins AC Netz einspeisen kann, wird die Schaltung des Wechselrichters bidirektional ausgeführt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Batteriespannung des ersten Batteriespeichers ähnlich bzw. etwas unter dem Effektivwert der Netzspannung gewählt, dass der Batteriespeicher durch einen einfachen Gleichrichter auch aus sehr unzuverlässigen Netzen mit stark schwankender Spannung und Frequenz oder aus motorbetriebenen Generatoren ohne AVR Spannungsregelung geladen werden kann, während die aufwendigere Wechselrichterschaltung nur für das Einspeisen in ein AC Netz benötigt wird. Hierdurch werden Verluste minimiert.
Die Auswahl der Batteriespannung der ersten Batterie soll einerseits so niedrig sein dass sie aus einer variablen Anzahl Batteriemodule im Bereich der Schutzkleinspannung gut gebildet werden kann, andererseits möglichst hoch damit die Wandlungsverluste zu AC möglichst klein bleiben und DC seitig Komponenten auf einen möglichst niedrigen Strom dimensioniert werden können. Beispielsweise können alle Komponenten auf einen Strom von 20A ausgelegt, was dann eine Wechselrichterleistung von 3... 5kVA AC pro Wechselrichtermodul erlaubt. Bei dreiphasiger Auslegung, d.h. ein Wechselrichter ist mit drei Leistungsteilen ausgerüstet, ergibt sich dann eine Leistung von 10kVA dreiphasig, wobei eine maximale Schieflast von 5kVA auf einer Phase ermöglicht wird.
Bei Inselnetzen ist zudem den möglichen Fehlerfällen besondere Beachtung zu schenken. Niederfrequenz-Wechselrichter können bei entsprechender Auslegung auch einen Kurzschlusstrom bereitstellen, und sind einfach aufzubauen. Diese sind jedoch hinsichtlich Bauform und Wirkungsgrad gegenüber Hochfrequenz-Wechselrichtern im Nachteil. Zudem ist ein hoher Materialaufwand nötig. Das Potential zu Kostensenkungen ist damit stark begrenzt.
Wird nun ein 400V DC Zwischenkreis eingesetzt, kann sehr einfach ohne einen weiteren Hochsetzer ein Sinus geformt werden. Während bei Einsatz des Energiesystems in einem großen Verteilnetz genügend Energie zur Verfügung steht um große Peak-Leistungen beim Starten eines Motors oder der Aufladung größerer Kondensatoren in elektronischen Geräten zur Verfügung zu stellen. Zudem können diese im Fehlerfall, wobei hier hauptsächlich der Fehlerfall Kurzschluss betrachtet wird, aufgrund der großen Peak-Leistung eine Sicherung auslösen.
Bei kleinen Wechselrichtern im Inselbetrieb muss besondere Aufmerksamkeit darauf gelegt werden ob der zum Auslösen einer Sicherung benötigte Strom im Fehlerfall kurzzeitig zur Verfügung gestellt werden kann. Idealerweise soll bei selektiv in Reihe geschalteten Sicherungen die kleinste Sicherung in der Nähe der Fehlerstelle auslösen, anstatt den ganzen Wechselrichter, und damit das gesamte Inselnetz, wegen Überstrom abzuschalten,
Beim Einsatz von mehreren Wandlern in einem System kann der jeweils geeignetste Wandler gewählt werden. So können beispielsweise Schaltungen mit hoher Taktfrequenz mit Leistungselektronik auf der Basis von Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) mit Schaltungen die beispielsweise größere Kurzschlusströme oder geringeren Standby Energiebedarf ermöglichen, kombiniert werden.
Ebenso ist es möglich, dass sehr einfache Schaltungen wie Brückengleichrichter oder Trapezwechselrichter-Schaltungen mit einer Hochfrequenz-Schaltung kombiniert werden und so die Abweichungen von der Sinusform des anderen Wechselrichters geglättet werden.
In diesem Zusammenhang kann mittels einer übergeordneten Steuerung anhand verschiedener Parameter wie beispielsweise dem Ladezustand der ersten oder weiterer Batterien, der zu erwartenden Erträge aus regenerativen Energien oder der abgenommenen Leistung, der optimale Betriebsmodus hinsichtlich anderer Parameter wie Systemeffizienz oder Versorgungssicherheit auswählt werden. Diese übergeordnete Steuerung kann entweder separat ausgeführt oder in eine der Komponenten, insbesondere in das Wechselrichtermodul oder eins der Wechselrichtermodule, integriert sein.
Das Energiespeichersystem ist so gestaltet, daß im typischen Betriebsfall, besonders im unteren Teillastbereich der beste Wirkungsgrad erreicht und im Standby zur AC Netzbildung die Energie aus einem oder mehrerer Energiespeicher mit möglichst geringen Verlusten bereitgestellt wird. Dieser Anwendungsfall tritt in der Regel bei Inselnetzen auf. Zudem weist das Energiespeichersystem gute Eigenschaften zum Betrieb eines Inselnetzes auf. Eine einfache Installation und Modularität bei geringen Herstellkosten ist ebenso gegeben.
In vielen Anwendungsfällen, insbesondere beim Einsatz in Caravan und LKW mit 12 V bzw. 24 V Bordnetz, wird nicht nur ein 230 V AC Netz sondern auch ein DC Netz im Spannungsbereich der Schutzkleinspannung betrieben.
Bidirektionale Energieflüsse sind hier vorgesehen.
Dafür ist es vorteilhaft, die Leistung die im galvanisch gekoppelten DC/AC Wandler übertragen werden kann deutlich größer zu wählen als die Leistung einesgalvanisch getrennten DC/DC Wandlers. Hierdurch entstehen beim DC/AC Wandler sowohl bei Baugröße und Kosten als auch beim Wirkungsgrad Vorteile.
Der galvanisch entkoppelte DC/DC Wandler ist dann vor allem zum Betrieb einer übergeordneten Steuerung, den DC Lasten, weiterer Batterieen und einem Generator (Lichtmaschine) vorgesehn und muss nur geringere Leistung übertragen.
Wenn jedem Batteriemodul ein galvanisch getrennter DC/DC Wandler zugeordnet wird, wird dadurch ein aktiver Ladungsausgleich (Balancing) zwischen den einzelnen Batteriemodulen ermöglicht. Darüber hinaus ist das Übersetzungsverhältnis zwischen z.B. einem 12V Bordnetz und 48V Batteriemodulen mit 1:4 deutlich kleiner, als wenn die Energie von einer Reihenschaltung der 48V Module mit größerem Übersetzungsverhältnis gewandelt werden muss.
Hierdurch entstehen vor allem folgende Vorteile:

- Der galvanisch getrennte DC/DC Wandler hat eine bessere Effizienz,
- kann kleiner und damit kostengünstiger dimensioniert werden,
- ermöglicht Balancing zwischen einzelnen Batteriepacks
- und kann auf beiden Seiten innerhalb der Schutzkleinspannung betrieben werden.

Damit die gewünschte Modularität und eine hinreichende Kostendegression in der Fertigung gegeben ist, wird der Wechselrichter vorzugsweise in ein standardisiertes Gehäuse mit Steuerung und Anschlüssen, sowie bei Bedarf mit bis zu drei modularen Leistungsteilen untergebracht.
Die Leistung eines Leistungsteils liegt im Bereich 3-5kW. Durch die Verwendung mehrerer paralleler Leistungsteile kann die Gesamtleistung skaliert werden. Um eine Überlastung zu verhindern ist auch eine Begrenzung der Leistung beispielsweise je nach Anzahl Batteriemodule denkbar. So ist es denkbar, daß DC seitig alles immer auf maximal 20A ausgelegt ist, aber die Leistung durch die Verwendung unterschiedlicher Systemspannungen begrenzt wird.
Auch denkbar ist es daß für kleinere Leistungen, wie beispielsweise Inselnetze für einfache Haushalte, Camping oder Wohnmobile ein auf geringes Volumen optimiertes Gehäuse, in dem nur ein Leistungsteil für einphasige Anwendung eingesetzt werden kann, Verwendung findet. Zusätzlich kann auch die Leistung über Software reduziert werden. Ebenfalls denkbar ist eine Leistungsreduzierung durch eine geänderte Bestückung der Leiterplatten.
Die AC Seite, Lastseite, ist dabei immer Teil des Wechselrichters. Ein AC Eingang bzw. eine bidirektionale Schnittstelle ans Stromnetz kann dagegen als optionales Modul ausgeführt sein. Ebenfalls als optionales Modul kann eine Netzüberwachung und eine Netzfreischaltung vorgesehen werden.
Darüber hinaus kann in das Energiesystem auch ein weiterer DC/DC Wandler als Tiefsetzer vorgesehen werden, der vorzugsweise mit MPPT Tracker für PV Module ausgerüstet ist, eingebunden werden. So wird die Möglichkeit geschaffen, mit einer hohen PV Spannung mit einem geringen Übersetzungsverhältnis einen ersten Energiespeicher oder mit größerem Übersetzungsverhältnis weitere Energiespeicher zu laden.
Bei anderen Anwendungen, vor allem im Bereich Caravan und Wohnmobil, kann auch die Einbindung eines PV Moduls innerhalb Schutzkleinspannung im Stromkreis des zweiten Energiespeichers ermöglicht werden. Hier ist dann keine oder nur eine kleine Übersetzung notwendig.
Je nach Anwendung kann der am besten geeignete Anschlusspunkt für eine Energiequelle, insbesondere Photovoltaik, gewählt werden.
Die vorliegende Erfindung sieht mindestens einen galvanisch gekoppelten Wandler vor, der mit einem geringen Übersetzungsverhältnis, aus einer DC Spannung, die vorzugsweise bei 20 bis 100% des Effektivwertes der AC Spannung liegt aus einem Batteriespeicher eine AC Spannung zur Verfügung stellt. Zudem ist vorzugsweise ein galvanisch getrennter DC/DC Wandler geringerer Leistung für die Einbindung einer weiteren Spannungsebene mit insgesamt größerem Übersetzungsverhältnis vorgesehen, an dem beispielsweise Starterbatterien, Redox-Flow Batterien oder Brennstoffzellen eingebunden werden können.
Ein erfindungsgemäßes Energiesystem ist beispielsweise in 1 dargestellt. Dort sind vier mit 1 bezeichnete LiFePO4 Batteriepacks mit jeweils zirka 50V in Reihe geschaltet, was eine Systemspannung von rund 200V ergibt. Jeder einzelne Batteriemodul/Battierpack liegt innerhalb der Schutzkleinspannung. Alle Batteriepacks 1 sind jeweils mit einem galvanisch getrennten DC/DC Wandler 2 ausgerüstet. Die Ausgänge der DC/DC Wandler sind miteinander parallel verbunden, wodurch mit einem geringen Übersetzungsverhältnis in den DC/DC Wandlern 2 ein Energieaustausch (Balancing) zwischen den Batteriepacks 1 ergolgen kann. Zudem ist an den DC/DC Wandlern 2 eine Bordnetzbatterie 3 mit 12V bzw. 24V angeschlossen. Auch mit dieser kann mit einem geringen Übersetzungsverhältnis ein Energieaustausch stattfinden.
Über die DC/DC Wandler 2 kann nun ein Balancing zwischen den einzelnen Batteriepacks 1 erfolgen. Zudem kann die Bordnetzbatterie 3 geladen werden. Wird die Bordnetzbatterie 3 extern, zum Beispiel durch einen nicht dargestellten Generator/Lichtmaschine geladen, kann vom Bordnetz aus der Bordnetzbatterie 3 Energie in die Batteriepacks 1 transferiert werden.
Die DC/DC Wandler 2 sind galvanisch getrennt ausgeführt.
Die in Reihe geschalteten Batteriepacks 1 bilden eine Spannung, die mit einem geringen Übersetzungsverhältnis in einem Wechselrichter bzw. DC/AC-Wandler 6 in eine Wechselspannung umgewandelt werden kann. Hier wird eine Wechselspannung mit 230V erzeugt.
Am DC/AC Wandler 6 können mehrere geschaltete AC Anschlüsse 7 vorgesehen sein, die sowohl ein Synchronisieren und Trennen weiterer AC Netze oder eine priorisierte Lastschaltung ermöglichen. Zudem ist es bei bidirektionaler Ausführung des DC/AC Wandlers 6 auch denkbar, daß hierüber Energie in die Batteriepacks 1 eingespeist wird.
Über einen weiteren DC/DC Wandler 5, der auch als PV-Laderegler ausgeführt sein kann, ist es möglich, weitere Energiequellen, wie beispielsweise PV Module 4 sowiue Energiewandler wie Brennstoffzellen oder Energiespeicher auf einer höheren Spannungsebene effizient einzubinden.
Der Wechselrichter 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf 4kW Leistung ausgelegt, so daß eine Absicherung mit 20A, passend zur üblichen Absicherung in Frage kommt.
Auch die DC seitigen Komponenten sind hier in der Regel auf 20A ausgelegt. Der MPPT Laderegler 5 ist für zehn PV Module mit 330Wp und damit für eine ungefähre Maximalspannung von ca. 450V auf PV Seite bei ca. 10A Strom ausgelegt. Diese wird auf die 200V Batteriespannung gewandelt.
Wird mehr Leistung benötigt, können mehrere Wechselrichter zusammengeschaltet werden.
Die einzelnen Systeme sind in sich geschlossen, aber dennoch modular.
Alle Wandler arbeiten mit einem geringen Übersetzungsverhältnis, so daß diese sehr effizient arbeiten.
Schutznormen auch im Caravan Bereich werden problemlos erfüllt, da nur 12V bzw. 24V DC galvanisch getrennt aus dem System herausgeführt werden.
In 2 ist eine Schaltung eines DC/AC Wandlers 6 bei dem mit nur einer einzigen Spule eine Sinuswelle aus einer DC Quelle 1 geformt werden kann, während der negative Pol der DC Seite das gleiche Potential wie der Neutralleiter der AC Seite hat. Mehrere Schalter sind vorgesehen. Die Schalter können dabei als Halbleiter, vor allem Mosfet, auch mit paarweise angeordneten Mosfet für bidirektionale Anwendung ausgeführt sein. Auch der Einsatz von GaN oder SiC Mosfet mit hohen Taktfrequenzen ist möglich.
In 3 ist schematisch eine Schaltung eines DC/AC Wandlers 6 bei der das gemeinsame Potential in der Mitte der Batteriepacks 1 mit dem Neutralleiter der AC Seite verbunden ist. Jeweils ein Wandler ist für das Erzeugen einer Halbwelle zuständig. Auch in dieser Schaltung kann an jedem der Batteriepacks 1 ein galvanisch getrennter DC/DC Wandler 2 angeordnet sein der mit weiteren Battereisystemen 3 verbunden ist. Auch die Kombination mit anderen DC/DC Wandlern und eine dreiphasige Ausführung ist möglich.
4 zeigt schematisch eine Sinuswelle, die aus einem getakteten Teil und einem nicht getakteten Teil überlagert ist der der Batteriespannung entspricht. Dies lässt auch erkennen wie im Fall eines Kurzschlusses im Gegensatz zu einem aus 400V erzeugten Sinuswelle einfacher ein hoher Kurzschlusstrom direkt aus der Batterie bereitgestellt werden kann, ohne dass bei Abschaltung auf Lastseite mit einer Überspannung bei Abschaltung zu rechnen ist.
In 5 ist schematisch eine Schaltung eines DC/AC Wandler gezeit, der besonders einfach und günstig hergestellt werden kann. Es gibt hier aber kein gemeinsames Potential zwischen DC Anschluss und AC Anschluss. Damit ist dieser Wandler besonders als zusätzlicher Wandler geeignet, der beispielsweise über eine galvanisch bereits entkoppelten DC Anschluss ein Sinus-Signal mit kleiner Leistung für Standby-Betrieb bereitstellen kann.

Claims

Energiesystem mit mindestens einem Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens einem Wechselrichter, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiesystem hinsichtlich Energiespeicher und/oder Wechselrichter modular aufgebaut ist.
Energiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Batteriespeicher mit wenigstens einem Batteriemodul vorgesehen ist, wobei die einzelnen Batteriemodule innerhalb der Grenzen der Schutzkleinspannung ausgelegt sind.
Energiesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriemodule eines Batteriespeichers in Reihe und/oder parallel miteinander verschaltet sind
Energiesystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ladungsausgleich der einzelnen Batteriemodule eines Batteriespeichers vorgesehen ist.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Batteriespeicher oder jedes Batteriemodul ein DC/DC Wandler vorgesehen ist, der galvanisch entkoppelt ausgeführt sein kann.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein DC/DC Wandler vorgesehen ist, welcher eine erste Systemspannung erzeugt, die höher, niedriger oder gleich sein kann wie die Spannung einzelner oder mehrerer Batteriemodule, wobei der DC/DC Wandler eine galvanische Trennung aufweisen und bidirektional ausgeführt sein kann.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein DC/AC Wandler vorgesehen ist, der bidirektional ausgeführt sein kann.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere DC/AC und/oder DC/DC Wandler vorgesehen sind.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Betriebszustand des Energiesystems der jeweilige Wandler bzw. die jeweilige Wandlerkombination ausgewählt werden, wobei derjenige Wandler bzw. diejenige Wandlerkombination ausgewählt werden kann, welche die geringsten Verluste aufweist.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Betriebszustand des Energiesystems eine Leistungsbegrenzung vorgesehen ist.
Energiesystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das System so ausgelegt ist, daß vorgesehene Schutzeinrichtungen vorzugsweise selektiv auslösen.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine effiziente Ladeelektronik zur Ladung des Batteriespeichers vorgesehen ist, wobei diese auch als einfache Gleichrichterschaltung mit entsprechender Anpassung der Spannung des Batteriespeichers ausgeführt sein kann.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiesystem verschiedene Energiequellen auf AC und/oder DC Seite und/oder verschiedene Energiespeicher, insbesondere Batteriespeicher mit Modulen aus Lithium Akkumulatoren, vorzugsweise LiFePO4 Akkumulatoren, Bleiakkus, Redox-Flow-Batterien oder anderen Speichertypen kombiniert.
Energiesystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlermodule für jede Energiequelle bzw. jeden Energiespeicher auf dessen Eigenschaften beispielsweise hinsichtlich Leistung ausgelegt sind.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequellen über den DC/DC Wandler galvanisch entkoppelt sind.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über den DC Kreis eine Energieverteilung zwischen den einzelnen Energiequellen bzw. Energiespeichern vorgesehen ist.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der DC Kreis hinsichtlich seiner Spannung so ausgelegt ist, daß der DC/AC Wandler nur ein kleines Üersetzungsverhältnis hinsichtlich der Spannung aufweist oder keine Spannungsübersetzung vornehmen, sondern nur die Wechselspannung formen muss.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der DC Wandler nur ein kleines Übersetzungsverhältnis hinsichtlich der Spannung aufweist.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungen der Wandler so aufgebaut sind, daß die Minuspole der Gleichspannungssysteme dem Neutralleiter der Wechselspannungssysteme entsprechen und so ein gemeinsames Bezugspotential vorliegt.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Speichersysteme antisymmetrisch angeordnet sind und jedes der beiden Speichersysteme einen DC/AC Wandler zugeordnet hat, der jeweils eine Halbwelle der Wechselspannung erzeugt und daß der Neutralleiter des Wechselspannungssystem ein gemeinsames Bezugspotential mit der Mitte der Speichermodule aufweist.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Speichersysteme mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere Langzeitspeichersystem und Kurzzeitspeichersysteme miteinander kombiniert sind, wobei vorgesehen sein kann, daß nur die AC und die durch den DC/DC Wandler galvanisch getrennten DC Anschlüsse abgreifbar sind, ohne einen direkten Zugriff auf die Speichermodule zur Verfügung zu stellen.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere autarke Energiesysteme wenigstens zeitweise zu einem Gesamtsystem kombiniert sind, wobei die Energiesysteme auch räumlich getrennt angeordnet sein können.
Energiesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungseinheit für jedes Energiesystem oder auch übergeordnet über mehrere Energiesysteme vorgesehen ist.
Verwendung eines Energiesystems nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiesystem bei der Bildung eines Inselnetzes durch den nicht galvanisch getrennten DC/AC Wandler besonders geringe Standby-Verluste und gerade im unteren Teillastbereich einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Verwendung eines Energiesystems nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiesystem innerhalb der Schutzkleinspannung die Einbindung von Energiequellen wie beispielsweise von PV Modulen ermöglicht, wie dies im Caravan und Wohnmobilbereich oftmals erwünscht ist.