DE112015001198B4 - Energieversorgungssystem - Google Patents

Abstract

Energieversorgungssystem, Folgendes umfassend:eine erste Speicherbatterie und eine zweite Speicherbatterie, die parallel an eine elektrische Energie abgebende/aufnehmende Ausrüstung angeschlossen sind;einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der dazu ausgelegt ist, elektrische Energie zwischen der ersten Speicherbatterie und der zweiten Speicherbatterie abzugeben/aufzunehmen;einen Schalter, der dazu ausgelegt ist, die erste Speicherbatterie und die zweite Speicherbatterie separat von einer Lastvorrichtung abtrennen zu können; undeine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, den Schalter und den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler zu steuern,wobei, wenn eine Nennspannung der ersten Speicherbatterie durch Va dargestellt wird, und eine Bemessungskapazität der ersten Speicherbatterie durch U1 dargestellt wird, eine Nennspannung der zweiten Speicherbatterie durch Vb dargestellt wird und eine Bemessungskapazität der zweiten Speicherbatterie durch U2 dargestellt wird:die erste Speicherbatterie und die zweite Speicherbatterie so ausgebildet sind, dass die Relationen Va<Vb und U1>U2 erfüllt sind, unddie Nennspannung Va der ersten Speicherbatterie, die Bemessungskapazität U1 der ersten Speicherbatterie, die Nennspannung Vb der zweiten Speicherbatterie und die Bemessungskapazität U2 der zweiten Speicherbatterie durch U2 so eingestellt sind, dass, wenn elektrische Energie von der zweiten Speicherbatterie zur ersten Speicherbatterie übergeht, ein Spannungsanstieg der ersten Speicherbatterie einen vorbestimmten oberen Grenzwert V1Hlim nicht übersteigt oder eine Kapazität der ersten Speicherbatterie einen vorbestimmten oberen Grenzwert Ullim nicht übersteigt.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungssystem. Speziell bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein energieregeneratives Speichersystem, das eine Speichervorrichtung, z.B. eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler u. dgl. umfasst.
• Stand der Technik
• Eine Lithiumionen-Sekundärbatterie wird hauptsächlich für tragbare elektronische Geräte als Speichervorrichtung leichten Gewichts und hoher Energiedichte verwendet. In den letzten Jahren kam es auch dazu, dass eine Lithiumionen-Sekundärbatterie eine höhere Leistung hat und auch zur Verwendung in großen Fahrzeugen wie etwa einem hybriden Automobil und einem hybriden Schienenfahrzeug übernommen wurde. Als Tendenz in der Entwicklung einer wie in 5 gezeigten Lithiumionen-Sekundärbatterie wird die Entwicklung wie folgt zweigeteilt: eine Entwicklung hin zu einer größeren Kapazität und höheren Energiedichte; und eine Entwicklung hin zu einer kleineren Kapazität und höheren Leistungsdichte. In Anwendungen für eine Speichervorrichtung ist es oftmals der Fall, dass die Spitzeleistung hoch aber nur von kurzer Dauer ist. Wenn von den oben beschriebenen zwei Typen von Speichervorrichtungen nur Speichervorrichtungen mit größerer Kapazität und höherer Energiedichte verwendet werden, ist mehr Energie als nötig eingebaut. Werden hingegen nur die Speichervorrichtungen mit kleinerer Kapazität und höherer Leistungsdichte verwendet, hat die Auslegung mehr Leistung als nötig. Auf diese Weise hat, wenn nur eine der zwei Arten von Speichervorrichtungen genommen wird, die Auslegung unnötige Energie oder Leistung, was zu Zunahmen beim Gewicht, Volumen und den Kosten von Speichersystemen führt. Deshalb wurden Fälle vorgeschlagen, in denen eine Speichervorrichtung des Typs hoher Leistung und eine Speichervorrichtung des Typs großer Kapazität über einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler verbunden sind.
• Zum Beispiel ist in einem in der JP 2010 - 110 124 A beschriebenen Energieversorgungssystem ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler nur für einen Hilfs-Sekundärbatterieblock angeordnet. Es wird beschrieben, dass durch Verstärken bzw. Erhöhen einer Ausgangsspannung des Hilfs-Sekundärbatterieblocks unter Verwendung des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers auf einen Pegel, der demjenigen des Haupt-Sekundärbatterieblocks entspricht, der Hilfs-Sekundärbatterieblock und der Haupt-Sekundärbatterieblock parallel betrieben werden, wodurch ein Laden und Entladen einer Last erfolgt. Gemäß der in der JP 2010 - 110 124 A beschriebenen Erfindung ist der Hauptsekundärbatterieblock immer ohne den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossen, und der behelfsmäßige Sekundärbatterieblock ist immer über den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossen.
• In der WO 2012 / 085 992 A1 wird als Anwendung für ein Elektrofahrzeug, z.B. eine Hybridauto oder ein Elektroautomobil eine Auslegung aus einem Energieversorgungssystem vorgestellt, in dem eine zweite Speicherbatterie 2, die über einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit einer ersten Speicherbatterie parallel angeschlossen ist, im Gebrauch verstärkt (boosted) und durch Öffnen/Schließen eines Relais gesteuert wird.
• In der Auslegung von WO 2012 / 085 992 A1 ist ein Relais so angeordnet, dass zwei Hochspannungsbatterien einzeln angeschlossen und miteinander parallel angeschlossen werden können. Allerdings ist in solch einer Auslegung eine erste Speicherbatterie immer ohne einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossen, und eine zweite Speicherbatterie 2 ist immer über einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossen. Wenn eine Speicherbatterie, die über einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossen ist, und eine Speicherbatterie, die ohne den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossen ist, auf diese Weise festgelegt werden, wird der Wirkungsgrad so gesenkt, dass der Bereich von Anwendungen je nach einem Belastungsverlauf eingeengt wird. Darüber hinaus ist es notwendig, wenn die Nutzungsdauer der Speicherbatterien in Betracht gezogen wird, eine die Spannungen und Kapazitäten der Speicherbatterien berücksichtigende Auslegung zu bilden.
• Wird hingegen die Auslegung so gebildet, dass mehrere Versorgungspfade für elektrische Energie unter Verwendung eines Schalters realisiert werden können, werden verschiedene Pfade elektrischer Energie bedacht, und somit muss die Konzeption dazu gebracht werden, Sicherheit zu berücksichtigen. Obwohl eine Sekundärbatterie wieder aufladbar ist, tritt in einer Blei-Säure-Batterie, einer Nickel-Metallhydrid-Batterie oder einer NiCad-Batterie in einem überladenen Zustand eine Wasserelektrolyse auf und der Innendruck steigt und es entsteht Wärme. Dabei wird in einer Lithiumionen-Sekundärbatterie ein organisches Lösungsmittel in einer Elektrolytlösung verwendet, und somit besteht eine Möglichkeit, dass eine Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung stattfindet.
• In einem solchen Mehrfachenergieversorgungssystem, das einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler verwendet, können Hochleistungsspeichervorrichtungen durch ein Ein-/Ausschalten eines Schalters parallel geschaltet werden. Jedoch wird je nach dem Muster von Leistungsbetrieb und Regeneration Energie ohne einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler effizienter abgegeben und aufgenommen, wenn eine über den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossene Speichervorrichtung isoliert und hauptsächlich eine Speichervorrichtung des Hochleistungstyps verwendet wird. Dabei ist, wenn ein Ein-/Ausschalten des Schalters erfolgt, der Pfad elektrischer Energie kompliziert, und im Falle von Unannehmlichkeiten müssen Maßnahmen ergriffen werden.
• Die DE 10 2005 039 362 A1 zeigt ein Fahrzeug-Energieversorgungssystem, bei dem ein Fahrzeuggenerator eine Spannung zum Laden einer ersten Batterie erzeugt. Eine Leistungsumsetzschaltung ist zwischen der ersten Batterie und einer zweiten Batterie geschaltet, die an einen elektrischen Verbraucher angeschlossen ist, um in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus zu arbeiten, wenn der Energieverbrauch des Verbrauchers niedriger bzw. höher ist als ein spezifizierter Wert. In dem ersten Betriebsmodus hält die Leistungsumsetzschaltung die Spannung an der zweiten Batterie auf einem im wesentlichen konstanten Pegel, und in dem zweiten Betriebsmodus variiert die Spannung der zweiten Batterie mit der Spannung der ersten Batterie. In Reaktion auf eine Schwankung oder Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit wird ein Fahrzeuggenerator so gesteuert, dass dessen Ausgangsspannung auf eine erste Rate geändert wird, wenn die Energieumsetzung in dem ersten Betriebsmodus durchgeführt wird, und auf eine zweite Rate geändert wird, die niedriger ist als die erste Rate, wenn die Energieumsetzung in dem zweiten Betriebsmodus ausgeführt wird.
• Aus der EP 2 717 415 A1 ist ein Speichersystem für elektrische Energie bekannt, welches das Folgende aufweist: eine erste Speichervorrichtung und eine zweite Speichervorrichtung, die jeweils ein Laden und ein Entladen durchführen, ein erstes Relais und ein zweites Relais, sowie eine Steuerung. Das erste Relais aktiviert das Laden und Entladen der ersten Speichervorrichtung in einem EIN-Zustand und deaktiviert sie in einem AUS-Zustand. Das zweite Relais aktiviert das Laden und Entladen der zweiten Speichervorrichtung in einem EIN-Zustand ein und deaktiviert sie in einem AUS-Zustand. Die erste Speichervorrichtung und das erste Relais sind mit der zweiten Speichervorrichtung und dem zweiten Relais parallelgeschaltet. Die Steuerung schaltet sowohl das erste Relais als auch das zweite Relais vom EIN-Zustand in den AUS-Zustand, nachdem die Steuerung einen Einschaltstrom zwischen der ersten Speichervorrichtung und der zweiten Speichervorrichtung fließen lässt.
• Die DE 10 2007 029 352 A1 zeigt eine Fahrzeug-Stromversorgungsvorrichtung mit einem ersten und einen zweiten durch einen Motor angetriebenen Elektrogenerator und eine erste und eine zweite Speicherbatterie. Dabei versorgt der erste Generator die erste Batterie und einen ersten Satz von Verbrauchern mit einer stabilen Spannung. Der zweite Generator versorgt die zweite Batterie und einen zweiten Satz von Verbrauchern, welche Schwankungen der Versorgungsspannung tolerieren. Der Betrieb des zweiten Generators und das Laden/Entladen der zweiten Batterie werden so gesteuert, dass das Gesamt-Drehmoment aufrechterhalten wird, welches durch die Generatoren absorbiert wird, sodass der Kraftstoffverbrauch reduziert wird, während die Versorgungsspannung für die Verbraucher, die Spannungsschwankungen tolerieren, erheblich variieren kann.
• Die DE 101 62 522 A1 offenbart ein Stromversorgungsgerät für ein Fahrzeug. Das Gerät umfasst einen Stromzuführbereich mit einem Stromspeicherbereich und mit einem Stromerzeugungsbereich. Der Stromspeicherbereich enthält eine Speicherbatterie. Der Stromspeicherbereich und der Stromerzeugungsbereich elektrische Energie empfangen bzw. ausgeben, wobei der Stromzuführbereich eine Vielzahl von Fahrzeug-Verbrauchern mit elektrischer Energie versorgt. Das Stromversorgungsgerät weist ferner einen Steuerbereich zur Steuerung der elektrischen Energie auf, die von dem Stromzuführbereich zu den Fahrzeug-Verbrauchern geführt wird.
• Die DE 10 2014 012 154 A1 zeigt ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einer Schnittstelle zum Anschluss eines Anhängerbordnetzes. Das Bordnetz umfasst ferner das Folgende: ein erstes Teilnetz, in dem eine erste Nennspannung anliegt, umfassend einen ersten Energiespeicher und einen ersten, durch mehrere Verbraucher gebildeten Lastwiderstand; ein zweites Teilnetz, in dem eine zweite Nennspannung anliegt, umfassend einen Generator und einen zweiten Energiespeicher. Hierbei sind das erste und das zweite Teilnetz über einen ersten Spannungswandler miteinander gekoppelt, und die Schnittstelle zum Anschluss des Anhängerbordnetzes ist über einen zweiten Spannungswandler mit dem zweiten Teilnetz gekoppelt.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Technisches Problem
• Die Energieversorgungssysteme aus dem verwandten Stand der Technik sind wie vorstehend beschrieben ausgebildet, und somit ist es in einem Mehrfachenergieversorgungssystem, das Sekundärbatterien verwendet, bei denen mehrere Speicherbatterien über einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossen sind und ein geeigneter Pfad elektrischer Energie durch das Ein-/Ausschalten eines Schalters gebildet wird, schwierig, eine Auslegung zu bilden, in der elektrische Energie effizient abgegeben/aufgenommen wird und die Speicherbatterien in einem für Überladung oder Überentladung weniger anfälligen Zustand gehalten werden.
• Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um diese Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mehrfachenergieversorgungssystem zu bilden, in dem mehrere Speicherbatterien über einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossen sind und ein geeigneter Pfad elektrischer Energie durch das Ein-/Ausschalten eines Schalters gebildet wird, damit elektrische Energie effizient abgegeben/aufgenommen wird, und damit die Speicherbatterien sich nicht in einem überladenen Zustand befinden können und selbst dann in einem stabilen Zustand gehalten werden können, wenn eine erste Speicherbatterie und eine zweite Speicherbatterie elektrisch verbunden sind.
• Mit anderen Worten besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Energieversorgungssystem bereitzustellen, das dazu ausgelegt ist, elektrische Energie effizient abzugeben/aufzunehmen, und dazu in der Lage ist, einen Zustand zu halten, in dem die Speicherbatterien für Überladung oder Überentladung weniger anfällig sind.
• Lösung für das Problem
• Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Energieversorgungssystem bereitgestellt, das umfasst: eine erste Speicherbatterie und eine zweite Speicherbatterie, die parallel an eine elektrische Energie abgebende/aufnehmende Ausrüstung angeschlossen sind; einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der dazu ausgelegt ist, elektrische Energie zwischen der ersten Speicherbatterie und der zweiten Speicherbatterie abzugeben/aufzunehmen; einen Schalter, der dazu ausgelegt ist, die erste Speicherbatterie und die zweite Speicherbatterie separat von einer Lastvorrichtung abtrennen zu können; und eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, den Schalter und den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler zu steuern. Wenn darüber hinaus eine Nennspannung der ersten Speicherbatterie durch Va dargestellt wird, und eine Bemessungskapazität der ersten Speicherbatterie durch U1 dargestellt wird, eine Nennspannung der zweiten Speicherbatterie durch Vb dargestellt wird und eine Bemessungskapazität der zweiten Speicherbatterie durch U2 dargestellt wird, sind die erste Speicherbatterie und die zweite Speicherbatterie so ausgebildet, dass die Relationen Va<Vb und U1>U2 erfüllt sind, und die Nennspannung Va der ersten Speicherbatterie, die Bemessungskapazität U1 der ersten Speicherbatterie, die Nennspannung Vb der zweiten Speicherbatterie und die Bemessungskapazität U2 der zweiten Speicherbatterie durch U2 sind so eingestellt, dass, wenn elektrische Energie von der zweiten Speicherbatterie zur ersten Speicherbatterie übergeht, ein Spannungsanstieg der ersten Speicherbatterie einen vorbestimmten oberen Grenzwert V1Hlim nicht übersteigt oder eine Kapazität der ersten Speicherbatterie einen vorbestimmten oberen Grenzwert Ullim nicht übersteigt.
• Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
• Das Energieversorgungssystem nach der vorliegenden Erfindung ist wie vorstehend beschrieben ausgebildet, und somit kann das Energieversorgungssystem erhalten werden, das in der Lage ist, einen Zustand zu halten, in dem die Speicherbatterien für Überladung oder Überentladung weniger anfällig sind.
• Figurenliste
• 1 ist eine schematische Ansicht eines Energieversorgungssystems nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 2 ist eine schematische grafische Darstellung, um Spannungs-/Kapazitätskennlinien von Speicherbatterien nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
• 3 ist eine schematische grafische Darstellung, um Kennlinien von Spannung/elektrischer Energiebetrag von Speicherbatterien nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
• 4 ist ein Ablaufschema, um einen Betrieb des Energieversorgungssystems nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darzustellen.
• 5 ist eine grafische Darstellung, um ein Verhältnis zwischen einer Speichervorrichtung großer Kapazität und hoher Energiedichte und einer Speichervorrichtung kleiner Kapazität und hoher Leistungsdichte zu zeigen.
• Beschreibung der Ausführungsformen
• Ausführungsform 1
• Zuerst wird eine Auslegung eines Energieversorgungssystems nach der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Anzumerken ist, dass die Zeichnungen schematisch und zum Zwecke einer konzeptuellen Darstellung einer Funktion, einer Konfiguration o. dgl. bestimmt sind. Darüber hinaus spiegeln die Zeichnungen keine genauen Größen von dargestellten Komponenten u. dgl. wider. Wenn nicht anders angegeben, ist eine Grundauslegung des Energieversorgungssystems allen Ausführungsformen gemeinsam. Darüber hinaus werden in der technischen Beschreibung durchgehend gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder entsprechende Komponenten zu bezeichnen.
• 1 ist eine schematische Ansicht, um die Auslegung des Energieversorgungssystems nach dieser Ausführungsform schematisch darzustellen. Das Energieversorgungssystem nach dieser Ausführungsform wird mit Bezug auf 1 beschrieben.
• Anzumerken ist, dass in dieser Ausführungsform ein Fall beschrieben wird, in dem ein Motor/Generator 42 und ein Wechselrichter 41 als beispielhafte elektrische Energie abgebende/aufnehmende Ausrüstung 40 beschrieben sind, aber solange eine Last, die zum Verbrauchen elektrischer Energie ausgelegt ist, und eine Vorrichtung mit der Funktion, elektrische Energie zu erzeugen, kombiniert wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Ausrüstung beschränkt, in der ein Motor/Generator und ein Wechselrichter kombiniert sind. Zum Beispiel ist auch eine elektrische Energie abgebende/aufnehmende Kombination aus einer Ausrüstung mit einer elektrischen Vorrichtung, die zum Verbrauchen elektrische Energie ausgelegt ist, und einer fotovoltaischen Solarenergieausrüstung in der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung nach der vorliegenden Erfindung inbegriffen.
• In 1 umfasst das Energieversorgungssystem nach dieser Ausführungsform den Motor/Generator 42, den Wechselrichter 41, eine erste Speicherbatterie 1, eine zweite Speicherbatterie 2, einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3, einen Glättungskondensator 31, Schalter 11, 12 und 13 und eine Steuerung 4. Der Wechselrichter 41 wandelt vom Motor/Generator 42 erzeugte elektrische Wechselstromenergie in elektrische Gleichstromenergie um oder führt für den Motor/Generator notwendige elektrische Wechselstromenergie aus dem Energieversorgungssystem zu. Bei dem Motor/Generator 42 handelt es sich um eine Vorrichtung, die dazu ausgelegt ist, als eine elektrische Energie verbrauchende Last und als ein Generator zu fungieren, und entspricht somit der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung. Darüber hinaus handelt es sich bei dem bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3 um einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der in der Lage ist, die Spannung zu verstärken und abzuschwächen, und um einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der in der Lage ist, die elektrische Gleichstromleistung zwischen der ersten Speicherbatterie auf einer Seite niedrigerer Spannung und der zweiten Speicherbatterie auf einer Seite höherer Spannung bidirektional zu steuern. Der bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3 wird auch als reversibler Wandler, reversibler Systemwandler, Wandler des reversiblen Typs, reversibler Chopper u. dgl. bezeichnet, die allesamt ein äquivalentes Teil bedeuten. Darüber hinaus handelt es sich bei der ersten Speicherbatterie 1 um eine Speicherbatterie großer Kapazität. Bei der zweiten Speicherbatterie 2 handelt es sich um eine Speicherbatterie hoher Leistung.
• Die erste und zweite Speicherbatterie sind so ausgebildet, dass Relationen Va < Vb und U1 > U2 eingestellt werden können, worin Va eine Nennspannung der ersten Speicherbatterie, U1 eine Bemessungskapazität von dieser, Vb eine Nennspannung der zweiten Speicherbatterie 2 und U2 eine Bemessungskapazität von dieser ist. Es gilt Va < Vb, und somit ist eine Zufuhr elektrischer Energie aus der ersten Speicherbatterie 1 in die zweite Speicherbatterie 2 über den bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3 ein Spannungserhöhungsvorgang. Eine Zufuhr elektrischer Energie aus der zweiten Speicherbatterie in die erste Speicherbatterie 1 ist hingegen eine Spannungssenkungsvorgang.
• Wenn im Hinblick auf eine Speicherbatterie großer Kapazität zwei Arten von Speicherbatterien mit unterschiedlichen Entladekapazitäten (Einheit: Ah) verwendet werden, wird hier die Speicherbatterie mit der größeren Entladekapazität als eine Speicherbatterie großer Kapazität bezeichnet. Darüber hinaus wird in dem Fall, in dem zwei Arten von Speicherbatterien verwendet werden, wenn zwei oder mehr Zellen, wovon jede eine Mindesteinheit einer Batterie ist und eine geringe Entladkapazität hat, parallel geschaltet werden, um die Entladekapazität zu vergrößern, ein Vergleich zwischen den Entladekapazitäten nach der Parallelschaltung gezogen, und die Speicherbatterie mit der größeren Entladekapazität wird als Speicherbatterie großer Kapazität bezeichnet.
• Wenn darüber hinaus im Hinblick auf eine Speicherbatterie hoher Leistung zwei Arten von Speicherbatterien mit unterschiedlichen elektrischen Leistungen (Einheit: W), die von den Speicherbatterien ausgegeben werden können, verwendet werden, wird die Speicherbatterie, die in der Lage ist, die höhere elektrische Leistung aufzunehmen/auszugeben, als Speicherbatterie hoher Leistung bezeichnet. Darüber hinaus wird in dem Fall, in dem zwei Arten von Speicherbatterien verwendet werden, wenn zwei oder mehr Zellen, wovon jede eine Mindesteinheit einer Batterie und in der Lage ist, eine geringe elektrische Leistung aufzunehmen/abzugeben, parallel geschaltet werden, um die elektrische Leistung zu steigern, die aufgenommen/abgegeben werden kann, ein Vergleich zwischen den elektrischen Leistungen nach der Parallelschaltung gezogen, und die Speicherbatterie mit der höheren elektrischen Leistung wird als Speicherbatterie hoher Leistung bezeichnet.
• Hier werden zwei Arten von Speicherbatterien verglichen und verwendet. Es ist denkbar, dass eine Speicherbatterie möglicherweise sowohl die hohe Kapazität als auch die hohe Leistung hat, aber in diesem Fall wird die höhere Priorität darauf gelegt, die große Kapazität zu haben, und die Speicherbatterie wird als Speicherbatterie großer Kapazität bezeichnet.
• Darüber hinaus ist die Spannung einer Speicherbatterie variabel, und in vielen Fällen ist eine Nennspannung in Katalogen o. dgl. beschrieben. Hier handelt es sich bei einer Nennspannung um einen Spannungswert, der vom Hersteller der Speicherbatterie veröffentlicht wird, und manchmal um einen Bemessungsspannungswert, der erhalten wird, indem die elektrische Energie bei voll aufgeladener Speicherbatterie durch die Bemessungskapazität geteilt wird, oder um eine mittlere Spannung. Deshalb wird eine Nennspannung als ein Spannungswert definiert, der eine Bemessungsspannung und eine mittlere Spannung umfasst.
• Ähnlich ist die Kapazität einer Speicherbatterie variabel, und in vielen Fällen ist eine Bemessungskapazität in Katalogen o. dgl. beschrieben. Bemessungskapazität bedeutet manchmal Entladekapazität, wenn eine Entladung bei einem durch den Hersteller definierten Stromwert aus einem voll aufgeladenen Zustand erfolgt, oder Speicherkapazität in einem voll aufgeladenen Zustand. Die Bemessungskapazität kann ein Synonym für eine Nennkapazität sein, bei der es sich um einen durch den Hersteller veröffentlichten Kapazitätswert handelt, und somit ist Bemessungskapazität ein Begriff, der eine Nennkapazität und eine Speicherkapazität in einem voll aufgeladenen Zustand umfasst.
• Anzumerken ist, dass in den Zeichnungen und der Beschreibung dieser Ausführungsform verwendete Bezugszeichen die folgende Bedeutung haben.
  Va: die Nennspannung, die Bemessungsspannung oder die mittlere Spannung der ersten Speicherbatterie
  U1: die Nennkapazität, die Bemessungskapazität oder die Speicherkapazität in einem voll aufgeladenen Zustand der ersten Speicherbatterie
  V1: die Spannung der ersten Speicherbatterie
  V1max: die Spannung der ersten Speicherbatterie bei voller Aufladung auf ihre Bemessungskapazität oder eine obere Grenzspannung der ersten Speicherbatterie
  V1min: die Spannung der ersten Speicherbatterie bei voller Entladung um ihre Bemessungskapazität oder untere Grenzspannung der ersten Speicherbatterie
  V1Hlim: eine Höchstspannung, die sicher in die erste Speicherbatterie geladen werden kann (sichere Höchstspannung)
  U1lim: eine Kapazität, auf welche die erste Speicherbatterie sicher aufgeladen werden kann (sichere Höchstkapazität)
  Wh1: elektrischer Nennenergiebetrag oder elektrischer Bemessungsenergiebetrag der ersten Speicherbatterie
  Vb: die Nennspannung, die Bemessungsspannung oder die mittlere Spannung der zweiten Speicherbatterie
  U2: die Nennkapazität, die Bemessungskapazität oder die Speicherkapazität in einem voll aufgeladenen Zustand der zweiten Speicherbatterie
  V2: die Spannung der zweiten Speicherbatterie
  V2max: die Spannung der zweiten Speicherbatterie bei voller Aufladung auf ihre Bemessungskapazität oder eine obere Grenzspannung der zweiten Speicherbatterie
  V2Hlim: eine Höchstspannung, die sicher in die zweite Speicherbatterie geladen werden kann (sichere Höchstspannung)
  V2min: die Spannung der zweiten Speicherbatterie bei voller Entladung um ihre Bemessungskapazität oder untere Grenzspannung der zweiten Speicherbatterie
  V2Llim: eine Mindestspannung, die sicher durch die zweite Speicherbatterie entladen werden kann (sichere Mindestspannung)
  U2lim: eine Kapazität, auf welche die zweite Speicherbatterie sicher aufgeladen kann (sichere Höchstkapazität)
  Wh2: elektrischer Nennenergiebetrag oder elektrischer Bemessungsenergiebetrag der zweiten Speicherbatterie
  Vc: eine Spannung des Glättungskondensators
  V12max: ein Spannungswert, dem sich die Spannung nähert, wenn die erste Speicherbatterie mit V1max und die zweite Speicherbatterie mit V2max aufgrund eines Systemfehlers elektrisch verbunden werden
  V12min: ein Spannungswert, dem sich die Spannung nähert, wenn die erste Speicherbatterie mit V1max und die zweite Speicherbatterie mit V2max aufgrund eines Systemfehlers elektrisch miteinander parallel geschaltet werden
  ΔU1: eine Stromkapazität, die aus der zweiten Speicherbatterie auf der Seite der höheren Spannung in die erste Speicherbatterie auf der Seite der niedrigeren Spannung fließt
  ΔV1: ein Spannungszunahmewert der ersten Speicherbatterie, wenn eine Stromkapazität ΔU aus der zweiten Speicherbatterie auf der Seite der höheren Spannung in die erste Speicherbatterie fließt
• Der bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3 ist zwischen der ersten Speicherbatterie 1 und der zweiten Speicherbatterie 2 angeordnet. Bei dem bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3 handelt es sich um einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der in der Lage ist, die Spannung zu erhöhen und zu senken und ein Abgeben/Aufnehmen elektrischer Energie zwischen der ersten Speicherbatterie 1 und der zweiten Speicherbatterie 2 zu ermöglichen. Der bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3 führt ein Abgeben/Aufnehmen von elektrischer Energie zwischen der ersten Speicherbatterie 1 und dem Wechselrichter oder zwischen der zweiten Speicherbatterie 2 und dem Wechselrichter 41 je nach dem Anschlusszustand der Schalter durch.
• Beispiele des Motors/Generators 42 umfassen einen dreiphasigen Induktionsmotor mit gewickeltem Rotor und einen dreiphasigen Synchronmotor mit Permanentmagneten, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Der Motor/Generator 42 wird als Generator im Regenerationsbetrieb verwendet, und wird als Motor verwendet, der dazu ausgelegt ist, eine Antriebskraft im Leistungslaufbetrieb zu erzeugen. In dieser Ausführungsform wird der Motor/Generator 42 als Lastvorrichtung und eine Elektroenergieerzeugungsvorrichtung beschrieben, aber dies ist nur beispielhaft, und bei der Elektroenergieerzeugungsvorrichtung kann es sich auch um ein Solarzellenfeld und bei der Last um eine Lasteinrichtung zum Hausgebrauch handeln.
• Elektrische Energie, die bei der Regeneration erzeugt wird, wird durch den Wechselrichter 41 von elektrischer Wechselstromenergie in elektrische Gleichstromenergie umgewandelt, um dem Mehrfachenergieversorgungssystem zugeführt zu werden. In diesem Fall handelt es sich bei dem Mehrfachenergieversorgungssystem speziell um ein wie in 1 dargestelltes Energieversorgungssystem, das eine Auslegung hat, welche die erste Speicherbatterie 1 und die zweite Speicherbatterie 2, die unterschiedliche Kapazitäten und Spannungen haben, die Schalter zur Verbindung zwischen den Batterien, den bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3, der zum Anpassen der Spannung ausgelegt ist, u. dgl. umfasst. Darüber hinaus wird in dieser Ausführungsform eine Auslegung, die elektrische Energie verbraucht und elektrische Energie bei einer Regeneration erzeugt, wie etwa der Motor/Generator 42, als elektrische Energie abgebende/aufnehmende Ausrüstung 40 bezeichnet.
• Darüber hinaus wird im Leistungslauf elektrische Gleichstromenergie aus dem Mehrfachenergieversorgungssystem zugeführt, durch den Wechselrichter 41 Wechselstrom umgewandelt und dem Motor als elektrische Wechselstromenergie zugeführt. Der Wechselrichter 41 ist ein gewöhnlicher Dreiphasen-Wechselrichter. Bei dem Wechselrichter 41 handelt es sich um einen Wechselrichter mit variabler Spannung und variabler Frequenz (VVVF) oder um einen pulsweitenmodulierten (PWM) Wechselrichter, und er führt eine bidirektionale Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung durch. Wenn der Motor/Generator 42 jedoch ein Gleichstrom-Motor/Generator ist, ist der Wechselrichter 41 unnötig, und somit braucht die elektrische Energie abgebende/aufnehmende Ausrüstung 40 den Wechselrichter 41 nicht unbedingt.
• Der Glättungskondensator 31 ist parallel zum Wechselrichter 41 angeordnet und dazu eingerichtet, einen durch den Wechselrichter 41 erzeugten Welligkeitsstrom zu glätten.
• Der bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3 umfasst ein Halbleiterschaltelement für elektrische Energie, eine Diode, einen Kondensator, eine Drosselspule u. dgl. Als das Halbleiterschaltelement für elektrische Energie wird ein Schaltelement, das zum Ein-/Ausschalten gesteuert werden kann, z.B. ein Isolierschichtbipolartransistor, ein MOS-FET für elektrische Energie oder ein Bipolartransistor für elektrische Energie verwendet. Darüber hinaus kann als der bidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3 ein nicht isolierter bidirektionaler Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3, der das vorstehend beschriebene Element verwendet, ein isolierter bidirektionaler Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 3, der einen Transformator verwendet, o. dgl. verwendet werden.
• Als die erste Speicherbatterie 1 wird eine Sekundärbatterie großer Kapazität verwendet. Insbesondere für mobile Anwendungen wird einer hohen gewichtsbezogenen Energiedichte und einer hohen volumetrischen Energiedichte Bedeutung zugeschrieben, und somit wird eine Lithiumionen-Sekundärbatterie verwendet. Für stationäre Anwendungen hingegen ist es denkbar, der Energiedichte möglicherweise keine Bedeutung zuzumessen, und somit reicht es, wenn die erste Speicherbatterie 1 eine Speichervorrichtung großer Kapazität ist.
• Die erste Speicherbatterie 1 gibt die meiste Energie im System ab. Deshalb wird die erste Speicherbatterie 1 auf einen hohen Ladezustand (SOC) nahe an 100% aufgeladen. Bei einem hohen SOC nahe an 100% erreicht die als erste Speicherbatterie 1 dienende Lithiumionen-Sekundärbatterie die obere Grenzspannung aufgrund von Spannungsschwankungen beim hochanteiligen Aufladen wie etwa einer Regeneration, und somit wird bevorzugt, ein hochanteiliges Aufladen durchzuführen, wobei der Ladezustand in der zweiten Speicherbatterie 2 95% oder mehr beträgt.
• Als die zweite Speicherbatterie 2 wird eine Hochleistungsspeichervorrichtung, z.B. eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie oder ein elektrischer Doppelschichtkondensator verwendet. Mit anderen Worten ist die zweite Speicherbatterie 3 im Vergleich zur ersten Speicherbatterie 1 eine Speicherbatterie mit kleinerer Kapazität und höherer Energiedichte. In diesem Fall liegt ein Hauptzweck der zweiten Speicherbatterie 2 als Element, welches das Mehrfachenergieversorgungssystem bildet, darin, durch den Motor/Generator 42 erzeugte elektrische Regenrationsenergie zu speichern und als die elektrische Energie abgebende/aufnehmende Ausrüstung unmittelbare elektrische Energie zu liefern.
• Im Hinblick auf die erste Speicherbatterie 1 wird einer hohen Energiedichte Bedeutung zugemessen, und somit eignet sich die erste Speicherbatterie 1 nicht, unmittelbare hohe elektrische Eingangs-/Ausgangsenergie aufzunehmen. Um hohe elektrische Eingangs-/Ausgangsenergie aufzunehmen, ist es notwendig, die Anzahl der Speicherbatterien zu erhöhen, die zum Erhöhen der elektrischen Leistungskapazität eingebaut werden. In diesem Fall wird jedoch unnötige elektrische Energiekapazität eingebaut, was zu Vergrößerung und höheren Kosten führt. Ein Hauptzweck der zweiten Speicherbatterie 2 liegt darin, die auf die erste Speicherbatterie 1 wirkende Last hoher elektrischer Eingangs-/Ausgangsenergie zu reduzieren und für elektrische Energieregeneration und hohe elektrische Ausgangsenergie zu sorgen. Darüber hinaus erfolgt ein hochanteiliges Laden/Entladen an der zweiten Speicherbatterie 2 und somit wird bevorzugt, die zweite Speicherbatterie 2 mit dem 100% betragenden Ladezustand nicht zu verwenden, sondern die zweite Speicherbatterie 2 zu verwenden, wobei der Ladezustand ca. 50% bis ca. 70% beträgt. Speziell wird bevorzugt, die zweite Speicherbatterie 2 in einem Ladezustandbereich von ca. 20% bis ca. 90% zu verwenden.
• Bei einer Blei-Säure-Batterie oder einer Nickel-Metallhydrid-Batterie findet im Falle eines hohen Ladezustands von nahe 100% eine Polarisierung beim Laden in einem großen Ausmaß statt und die Ladeeffizienz wird extrem reduziert. Bei einer Blei-Säure-Batterie oder einer Nickel-Metallhydrid-Batterie wird bei einem hochanteiligen Laden bei einem hohen Ladezustand die Energie zum Zersetzen von als Lösungsmittel einer Elektrolytlösung dienendem Wasser verbraucht, und es entsteht Wärme durch die Zersetzungsenergie. Deshalb steigt die Temperatur der Batterie, und die Nutzungsdauer der Batterie wird möglicherweise verkürzt. Entsprechend wird es bevorzugt, das hochanteilige Laden in einem Zustand nahe am voll aufgeladenen Zustand zu vermeiden. Speziell wird es auch bevorzugt, einen Gebrauch bei dem Ladezustand von 90% oder mehr auch vom Energieeffizienzstandpunkt her zu vermeiden.
• Wenn es sich bei der ersten Speicherbatterie 1 um eine Lithiumionen-Sekundärbatterie handelt, beträgt die Nennspannung Va zum Beispiel 2,0 V bis 4,2 V x (die Anzahl der Zellen). Allerdings variiert die Nennspannung je nach dem verwendeten aktiven Material. Ähnlich beträgt, wenn zum Beispiel Lithiumkobaltoxid, Lithiumnickeloxid oder Lithiummanganoxid oder ein Gemisch aus diesen als aktives Material für eine positive Elektrode verwendet und ein Kohlenstoffmaterial für eine negative Elektrode verwendet wird, die Nennspannung Va 3,6 V bis 3,8 V pro Zelle. Wenn Lithiumtitanoxid für die negative Elektrode verwendet wird, beträgt die Nennspannung Va 2,2 V bis 2,5 V pro Zelle. Wenn Lithiumeisenphosphat für die positive Elektrode und ein Kohlenstoffmaterial für die negative Elektrode verwendet wird, beträgt die Nennspannung 3,2 V bis 3,3 V pro Zelle.
• Wenn es sich ferner bei der zweiten Speicherbatterie 2 um eine Sekundärbatterie handelt, wird die Nennspannung entsprechend durch Vb dargestellt. Wenn es sich bei der zweiten Speicherbatterie 2 um einen elektrischen Doppelschichtkondensator oder einen Kondensator handelt, kann es sein, dass Vb nicht als Nennspannung, sondern als normale obere Grenzspannung dargestellt wird. Zum Beispiel wird im Falle einer Nickel-Metallhydrid-Batterie Vb oftmals als 1,2 V x (die Anzahl der Zellen) dargestellt. Im Falle einer Blei-Säure-Batterie wird Vb oftmals als 2,0 V x (die Anzahl der Zellen) dargestellt. Jedoch gibt es, wie bei einer Blei-Säure-Batterie zur Verwendung in einem Automobil, eine Batterie, in der 6 Zellen in Reihe geschaltet sind, wobei die Einheit 12V beträgt, oder eine Blei-Säure-Batterie, in der 12 Zellen in Reihe geschaltet sind, wobei die Einheit 24 V beträgt, und somit ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende eine Batterie beschränkt. Wenn es sich bei der zweiten Speicherbatterie 2 um eine Lithiumionen-Sekundärbatterie handelt, beträgt Vb, ähnlich der ersten Speicherbatterie 1, 2,0 V bis 4,2 V x (die Anzahl der Zellen).
• Als Nächstes wird das Verhältnis zwischen der ersten Speicherbatterie 1 und der zweiten Speicherbatterie beschrieben.
• Zuerst wird in dieser Ausführungsform die Spannung der ersten Speicherbatterie 1 durch V1 und die Spannung der zweiten Speicherbatterie 2 durch V2 dargestellt. Die Spannung V1 der ersten Speicherbatterie 1 und die Spannung V2 der zweiten Speicherbatterie 2 sind variabel, werden aber so eingestellt, dass sich V1 < V2 erfüllen lässt.
• In diesem Fall werden beim Bilden eines Batteriesystems variable Batteriespannungen wie etwa V1 und V2 nicht angegeben, und Nennspannungen werden angegeben. Die Nennspannung Va der ersten Speicherbatterie 1 wird als repräsentativer Wert von V1 und die Nennspannung Vb der zweiten Speicherbatterie 2 wird als repräsentativer Wert von V2 verwendet.
• In dieser Ausführungsform ist die Auslegung so ausgebildet, dass sich Va < Vb erfüllen lässt.
• Darüber hinaus wird die Speicherkapazität der ersten Speicherbatterie 1 durch U1 und die Speicherkapazität der zweiten Speicherbatterie durch U2 dargestellt, und die Auslegung ist so, dass sich $$\text{U}1<\text{U}2$$

  

  erfüllen lässt.
• Die Speicherkapazität U1 der ersten Speicherbatterie 1 wird als Entladekapazität ausgehend von der Nennkapazität, der Bemessungskapazität oder dem voll aufgeladenen Zustand der Batterie ausgedrückt, und wird wie im Falle einer Lithiumionen-Sekundärbatterie zum Beispiel als eine einstündige Kapazität ausgedrückt.
• Hier handelt es sich bei der einstündigen Kapazität um eine Entladekapazität im Falle eines Entladens bei einem Stromwert, wenn die Nennkapazität oder die Bemessungskapazität der Batterie in einer Stunde entladen wird. Beispielweise handelt es sich bei der einstündigen Kapazität um eine Entladekapazität im Falle eines Entladens bei 5A einer Batterie, die eine Bemessungskapazität von 5 Ah hat.
• Entsprechend wird darüber hinaus die Speicherkapazität U2 der zweiten Speicherbatterie 2 als Entladekapazität ausgehend von der Nennkapazität, der Bemessungskapazität oder dem voll aufgeladenen Zustand der Batterie ausgedrückt. Darüber hinaus wird der Zustand, in dem U2 voll aufgeladen ist, für gewöhnlich als der Ladezustand von 100% ausgedrückt. Im Falle einer Lithiumionen-Sekundärbatterie oder einer Nickel-Metallhydrid-Batterie wird U2 oftmals als einstündige Kapazität ausgedrückt, und im Falle einer Blei-Säure-Batterie wird U2 oftmals als fünfstündige Kapazität ausgedrückt. Hier ist die fünfstündige Kapazität, mit der eine Batterie, die eine Bemessungskapazität U1 Ah (Amperestunden) hat, über fünf Stunden bei einem Stromwert U1/5 entladen werden kann. Zum Beispiel handelt es sich bei der fünfstündigen Kapazität um eine Entladekapazität, wenn eine Batterie, die eine Bemessungskapazität von 5 Ah hat, mit 1A entladen wird.
• Jedoch variiert eine Angabe der Speicherkapazität je nach den Herstellern, und somit sollte diese nicht als Einschränkung angesehen werden.
• Wenn darüber hinaus die elektrische Energie der ersten Speicherbatterie 1 durch Wh1 und die elektrische Energie der zweiten Speicherbatterie 2 durch Wh2 dargestellt wird, erfolgt eine Einstellung so, dass sich $$\text{Wh}1>\text{Wh}2$$

  

  erfüllen lässt.
• Die elektrische Energie Wh1 der ersten Speicherbatterie 1 gibt die elektrische Nennenergie oder die elektrische Bemessungsenergie der Batterie an und wird durch $$\text{Wh}1=\text{Va}\times \text{U}1$$

  

  ausgedrückt.
• Darüber hinaus gibt entsprechend die elektrische Energie Wh2 der zweiten Speicherbatterie 2 die elektrische Nennenergie oder die elektrische Bemessungsenergie der Batterie an und wird durch $$\text{Wh}2=\text{Va}\times \text{U}2$$

  

  ausgedrückt.
• In einem Fall, dass es sich bei der zweiten Speicherbatterie 2 um einen elektrischen Doppelschichtkondensator handelt, ist, wenn die Kapazität des verwendeten elektrischen Doppelschichtkondensators durch C F (Farad) dargestellt wird, in diesem Fall $$\text{Wh}2=\left(\text{C}\times {\text{Vb}}^2\right)/2÷3600\left(\text{Einheit: Wh}\right).$$

  
• In diesem Fall ist die Spannung, wenn die erste Speicherbatterie 1 voll auf die Speicherkapazität U1 aufgeladen ist, die Höchstspannung im Normalgebrauch. Die Spannugn wird dabei durch V1max dargestellt. Mit anderen Worten ist V1max die Spannung der ersten Speicherbatterie 1, wenn der Ladezustand 100% beträgt.
• Falls die erste Speicherbatterie 1 und die zweite Speicherbatterie 2 auf der Seite der höheren Spannung aufgrund eines Systemfehlers elektrisch verbunden werden, fließt ein Strom von der zweiten Speicherbatterie 2 auf der Seite der höheren Spannung zur ersten Speicherbatterie 1 auf der Seite der niedrigeren Spannung, so dass die Spannungen gleich sein können. Dabei wird die Stromkapazität, die aus der zweiten Speicherbatterie 2 in die erste Speicherbatterie 1 fließt, durch ΔU dargestellt, und der Spannungsanstieg der ersten Speicherbatterie 1 wird dabei durch ΔV1 dargestellt.
• Als Nächstes wird ein Fall beschrieben, bei dem im Mehrfachenergieversorgungssystem der vorliegenden Erfindung die erste Speicherbatterie 1 auf der Seite der niedrigeren Spannung und die zweite Speicherbatterie 2 auf der Seite der höheren Spannung aufgrund eines Systemfehlers elektrisch verbunden werden.
• Ein Energieübergangsbetrag, wenn Energie von der zweiten Speicherbatterie 2 auf der Seite der höheren Spannung zur ersten Speicherbatterie 1 auf der Seite der niedrigeren Spannung übergeht, wird durch ΔWh dargestellt.
• Hier wird die sichere Höchstspannung der ersten Speicherbatterie 1 großer Kapazität durch V1Hlim dargestellt. Es ist notwendig, V1Hlim so anzusetzen, dass die Sicherheit selbst dann sichergestellt werden kann, wenn die Kapazität ΔU1 durch die erste Speicherbatterie 1 aufgenommen wird und die Spannung V1 um ΔV1 steigt. Speziell muss $$\text{V}1\text{Hlim}\ge \text{V}1\text{max}+\Delta \text{V}1$$

  

  erfüllt werden.
• Darüber hinaus muss, wenn die Kapazität, auf welche die erste Speicherbatterie 1 sicher aufgeladen werden kann (sichere Höchstkapazität), durch Ullim dargestellt wird, $$\text{U}1\text{lin}\ge \text{U}1+\Delta \text{U}1$$

  

  erfüllt werden.
• Mit anderen Worten kann, indem die erste und zweite Speicherbatterie so ausgebildet werden, dass sich Va < Vb und U1 > U2 erfüllen lassen, und indem die Batterien so konzipiert werden, dass die sichere Höchstspannung V1Hlim nicht überschritten werden kann, das Mehrfachenergieversorgungssystem selbst unter von der Norm abweichenden Zuständen des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers oder selbst, wenn ein Fehler beim Schalten der Schalter auftritt, sicher geladen und entladen werden.
• Die vorstehend beschriebene Erfindung wird wie folgt zusammengefasst. Das Energieversorgungssystem nach dieser Ausführungsform umfasst die erste (1) und zweite (2) Speicherbatterie, die mit der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung (40) parallel geschaltet sind, den bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (3), der dazu ausgelegt ist, elektrische Energie zwischen der ersten (1) und zweiten (2) Speicherbatterie abzugeben/aufzunehmen, die Schalter, die in der Lage sind, die erste und zweite Speicherbatterie separat von der Lastvorrichtung abzutrennen, und die Steuerung (4), die dazu ausgelegt ist, die Schalter und den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler zu steuern. Wenn darüber hinaus die Nennspannung der ersten Speicherbatterie durch Va dargestellt wird, und die Bemessungskapazität der ersten Speicherbatterie durch U1 dargestellt wird, die Nennspannung der zweiten Speicherbatterie durch Vb dargestellt wird, und die Bemessungskapazität der zweiten Speicherbatterie durch U2 dargestellt wird, sind die erste und zweite Speicherbatterie so ausgebildet, dass sich Relationen Va<Vb und U1>U2 erfüllen lassen. Die Nennspannung Va der ersten Speicherbatterie, die Bemessungskapazität U1 der ersten Speicherbatterie, die Nennspannung Vb der zweiten Speicherbatterie und die Bemessungskapazität U2 der zweiten Speicherbatterie sind so eingestellt, dass die Spannung der erste Speicherbatterie den vorbestimmten oberen Grenzwert V1Hlim nicht übersteigen kann, oder so, dass die Kapazität der ersten Speicherbatterie den vorbestimmten oberen Grenzwert Ullim nicht übersteigen kann, wobei die Spannung und die Kapazität der ersten Speicherbatterie zunimmt, wenn elektrische Energie von der zweiten Speicherbatterie auf die erste Speicherbatterie übergeht. Mit anderen Worten werden die Nennspannungen (Va und Vb) und die Bemessungskapazitäten (U1 und U2) der ersten und zweiten Speicherbatterie zum Herstellungszeitpunkt als Konstruktionsspezifikationen der jeweiligen Speicherbatterien ausgearbeitet. Darüber hinaus handelt es sich bei den oberen Grenzwerten (V1Hlim und U1lim) um Bezugswerte der Speicherbatterie, die auf Grundlage der Konstruktionsspezifikationen der Speicherbatterie bestimmt werden.
• Die Schalter, die in der Lage sind, die erste und zweite Speicherbatterie separat von der Lastvorrichtung nach dieser Ausführungsform abzutrennen, umfassen den ersten Schalter (12), der zwischen der ersten Speicherbatterie (1) und der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung (40) angeordnet ist, und den zweiten Schalter (13), der zwischen der zweiten Speicherbatterie (2) und der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung (40) angeordnet ist.
• Darüber hinaus umfasst das Energieversorgungssystem nach dieser Ausführungsform den dritten Schalter (11), der dazu ausgelegt ist, einen ersten Pfad elektrischer Energie (51), der die erste Speicherbatterie (1) mit der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung (40) verbindet, und einen zweiten Pfad elektrischer Energie (52) zu schalten, der die zweite Speicherbatterie mit der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung verbindet.
• Wenn darüber hinaus der elektrische Energiebetrag, der das Produkt der Nennspannung und der Bemessungskapazität der ersten Speicherbatterie ist, durch Wh1 dargestellt wird, und der elektrische Energiebetrag, der das Produkt der Nennspannung und der Bemessungskapazität der zweiten Speicherbatterie ist, durch Wh2 dargestellt wird, können, indem die erste und zweite Speicherbatterie so konzipiert werden, dass sich der Verhältnisausdruck Wh1 > Wh2 erfüllen lässt, auch wenn ein Fehler der Schalter auftritt, der zu einem Zustand führt, in dem die Speicherbatterien kurzgeschlossen sind, die Speicherbatterien in einem für Überladung oder Überentladung weniger anfälligen Zustand gehalten werden.
• Konkrete Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben.
• Wenn es sich bei der ersten Speicherbatterie 1 um eine Lithiumionen-Sekundärbatterie handelt, variiert die sichere Höchstspannung V1Hlim der ersten Speicherbatterie 1 je nach dem verwendeten aktiven Material. Zum Beispiel wird im Falle einer Lithiumionen-Sekundärbatterie, in der Lithiumkobaltoxid, Lithiumnickeloxid oder Lithiummanganoxid oder ein Gemisch aus diesen als aktives Material für die positive Elektrode verwendet und ein Kohlenstoffmaterial für die negative Elektrode verwendet wird, bevorzugt, dass V1Hlim 4,3 V oder weniger pro Zelle beträgt. Und zwar deswegen, weil, wenn V1Hlim 4,3 V oder weniger pro Zelle beträgt, keine Nebenreaktion, z.B. Zersetzung der Elektrolytlösung, kurzfristig auftritt und die Batterie reversibel genutzt werden kann. Beträgt V1Hlim mehr als 4,3 V pro Zelle, kann aufgrund einer Nebenreaktion, z.B. Zersetzung der Elektrolytlösung, der Innendruck der Batterie steigen, und, wenn V1Hlim 4,5 V oder mehr beträgt, erzeugt die Batterie möglicherweise Wärme. Darüber hinaus beträgt, wenn Lithiumtitanoxid für die negative Elektrode verwendet wird, V1Hlim 3,5 V oder weniger pro Zelle. Beträgt V1Hlim mehr als 3,5 V pro Zelle, kann aufgrund einer Nebenreaktion, z.B. Zersetzung der Elektrolytlösung, der Innendruck der Batterie steigen, und, wenn V1Hlim 4,5 V oder mehr pro Zelle beträgt, erzeugt die Batterie möglicherweise Wärme. Wenn Lithiumeisenphosphat für die positive Elektrode und ein Kohlenstoffmaterial für die negative Elektrode verwendet wird, ist es notwendig, dass V1Hlim 4,0 V oder weniger pro Zelle beträgt. Beträgt V1Hlim mehr als 4,0 V pro Zelle, kann aufgrund einer Nebenreaktion, z.B. Zersetzung der Elektrolytlösung, der Innendruck der Batterie steigen, und, wenn V1Hlim 4,5 V oder mehr beträgt, erzeugt die Batterie möglicherweise Wärme.
• Ähnlich variiert, wenn es sich bei der ersten Speicherbatterie 1 um eine Lithiumionen-Sekundärbatterie handelt, die sichere Höchstspannung Ullim der ersten Speicherbatterie 1 je nach der Batterie, allgemein wird aber bevorzugt, dass Ullim das 1,2-fache oder weniger von U1 beträgt. Und zwar deswegen, weil, wenn Ullim das 1,2-fache oder weniger von U1 beträgt, keine Nebenreaktion, z.B. Zersetzung der Elektrolytlösung, kurzfristig auftritt und die Batterie reversibel genutzt werden kann. Die Lithiumionen-Sekundärbatterie ist oftmals zum Zwecke dessen ein geschlossenes System, einen Eintritt von Außenluft zu verhindern. Wenn Ullim das 1,2-fache oder weniger von U1 beträgt, kann aufgrund einer Nebenreaktion, z.B. Zersetzung der Elektrolytlösung, der Innendruck der Batterie steigen. Wenn darüber hinaus Ullim das 2-fache oder mehr von U1 beträgt, erzeugt die Batterie möglicherweise Wärme.
• Insbesondere, wenn Lithiumeisenphosphat für die positive Elektrode verwendet wird, öffnet sich, wenn Ullim das 1,2-fache von U1 beträgt, oftmals ein Sicherheitsventil der Batterie. In diesem Fall ist, wenn der elektrische Energiebetrag, der sicher in die erste Speicherbatterie 1 geladen werden kann (sicherer höchster elektrischer Energiebetrag), durch WH1lim dargestellt wird, $$\text{WH}1\text{lim}\approx \text{Va}\times \text{U}1\text{lim}\approx \mathrm{1,2}\times \text{Wh}1.$$

  
• Es wird bevorzugt, dass WH1lim auf das 1,2-fache oder weniger des elektrischen Energiebetrag Wh1 der ersten Speicherbatterie 1 eingestellt wird.
• Der elektrische Energiebetrag ΔWh, der übergeht, wenn die erste Speicherbatterie 1 und die zweite Speicherbatterie 2 auf der Seite der höheren Spannung aufgrund eines Systemfehlers elektrisch verbunden werden, ist gleich der oder kleiner als der elektrische Energiebetrag Wh2 der zweiten Speicherbatterie 2 und somit ist $$\text{Wh}2>\Delta \text{Wh}\text{.}$$

  
• Mit anderen Worten ist es notwendig, die erste Speicherbatterie 1 so zu konzipieren, dass, selbst wenn die erste Speicherbatterie 1 den elektrischen Energiebetrag Wh2 der zweiten Speicherbatterie 2 aufnimmt, sich der elektrische Energiebetrag WH1lim, der sicher geladen werden kann, nicht erreichen lässt.
• Mit anderen Worten muss die Einstellung so angesetzt werden dass sich das folgende Verhältnis erfüllen lässt $$\text{WH}1\text{lim}\approx \mathrm{1,2}\times \text{Wh}1\approx \text{Wh}1+\text{Wh}2$$

  
• Der obige Ausdruck wird vereinfacht, um den folgenden Ausdruck zu erhalten. $$\text{Wh}2\le \mathrm{0,2}\times \text{Wh}1.$$

  
• Mit anderen Worten kann, indem Wh2 mit dem 0,2-fachen oder weniger von Whi angesetzt wird, sich der elektrische Energiebetrag in einem Bereich sicheren Ladens befinden.
• Die vorstehend beschriebene Erfindung wird wie folgt zusammengefasst. In dem Energieversorgungssystem nach dieser Ausführungsform können darüber hinaus, wenn der elektrische Energiebetrag, der das Produkt der Nennspannung und der Bemessungsspannung der ersten Speicherbatterie ist, durch Wh1 dargestellt wird, und der elektrische Energiebetrag, der das Produkt der Nennspannung und der Bemessungsspannung der zweiten Speicherbatterie ist, durch Wh2 dargestellt wird, indem die erste und zweite Speicherbatterie so konzipiert werden, dass Wh2 das 0,2-fache oder weniger von Wh1 beträgt, selbst wenn ein Fehler des Energieversorgungssystems auftritt, der zu einem Zustand führt, in dem die Speicherbatterien kurzgeschlossen sind, die Speicherbatterien in einem für Überladung oder Überentladung weniger anfälligen Zustand gehalten werden. Dies ist besonders wirksam, wenn Lithiumeisenphosphat für die positive Elektrode verwendet wird.
• Wenn darüber hinaus der Spannungswert, dem sich die Spannung annähert, wenn die erste Speicherbatterie1 mit der oberen Grenzspannung V1max und die zweite Speicherbatterie 2 mit der oberen Grenzspannung V2max aufgrund eines Systemfehlers parallel geschaltet werden, durch V12max dargestellt wird, wird Folgendes erfüllt. $$\text{V}12\text{max}\approx \text{V}1\text{max}+\left(\text{V}2\text{max}-\text{V}1\text{max}\right)\times \text{Wh}2÷\left(\text{Wh}1+\text{Wh}2\right)$$

  
• Als Leitlinie für Sicherheit erfolgt die Einstellung so, dass dieser Wert V1Hlim > V12max erfüllen kann.
• In dieser Ausführungsform hat die Spannung V1 der ersten Speicherbatterie 1 und die Spannung V2 der zweiten Speicherbatterie 2 das Verhältnis $$\text{V}1<\text{V}\mathrm{2,}$$

  

  und, wenn die erste Speicherbatterie 1 und die zweite Speicherbatterie 2 verbunden werden, wenn ein Systemfehler auftritt, nimmt V1 zu und V2 ab. Deshalb ist es notwendig, dass V1 die sichere Höchstspannung V1Hlim und V2 die sichere Mindestspannung V2Llim definiert.
• Wenn es sich bei der zweiten Speicherbatterie 2 um eine Lithiumionen-Sekundärbatterie handelt, variiert hier die sichere Mindestspannung V2Llim je nach dem verwendeten aktiven Material. Zum Beispiel beträgt im Falle einer Lithiumionen-Sekundärbatterie, bei der Lithiumkobaltoxid, Lithiumnickeloxid oder Lithiummanganoxid oder ein Gemisch aus diesen als aktives Material für die positive Elektrode verwendet und ein Kohlenstoffmaterial für die negative Elektrode verwendet wird, die Spannung, wenn die Kapazität U1 aus dem voll aufgeladenen Zustand entladen wird, 2,5 V bis 3,0 V pro Zelle. In diesem Fall wird die sichere Mindestspannung V2Llim von 0,5 V bis 1,5 V pro Zelle angesetzt. Es wird darüber hinaus bevorzugt, dass die sichere Mindestspannung V2Llim mit 1,0 V angesetzt wird. Und zwar deswegen, weil, wenn die Spannung geringer ist als die sichere Mindestspannung V2Llim, der Innendruck steigen oder ein innerer Kurzschluss aufgrund einer Ablagerung eines Strom sammelnden Materials stattfinden kann. Wenn Lithiumtitanoxid für die negative Elektrode verwendet wird, beträgt die Spannung, wenn die Kapazität U1 aus dem voll aufgeladenen Zustand entladen wird, ca. 1,5 V, und somit ist es notwendig, V2Llim mit ca. 1,0 V pro Zelle anzusetzen. Wenn darüber hinaus Lithiumeisenphosphat für die positive Elektrode und ein Kohlenstoffmaterial für die negative Elektrode verwendet wird, beträgt die Spannung, wenn die Kapazität U1 aus dem voll aufgeladenen Zustand entladen wird, ca. 2 V, und somit wird die sichere Mindestspannung V2Llim der zweiten Speicherbatterie 2 mit 0,5 V bis 1,5 V pro Zelle angesetzt. Es wird darüber hinaus bevorzugt, dass die sichere Mindestspannung V2Llim mit 1,0 V angesetzt wird. In diesem Fall kann ähnlich, wenn die Spannung geringer ist als die sichere Mindestspannung V2Llim, der Innendruck steigen oder ein innerer Kurzschluss aufgrund einer Ablagerung eines Strom sammelnden Materials stattfinden. Mit anderen Worten, wenn es sich bei der zweiten Speicherbatterie um eine eine Lithiumionen-Sekundärbatterie handelt, kann die Einstellung so erfolgen, dass sich $$\text{V}2\text{Llim}=\mathrm{1,0}\text{v}\times \left(\text{die Anzahl der Zellen in Reihe}\right)$$

  

  erfüllen lässt.
• Darüber hinaus ist in der ersten Speicherbatterie 1, wenn die Speicherkapazität U1 aus dem voll aufgeladenen Zustand entladen wird, die Spannung die untere Grenzspannung in Normalgebrauch. Die Spannung wird dabei durch V1min dargestellt. Mit anderen Worten ist V1min die Spannung der ersten Speicherbatterie 1, wenn der Ladezustand 0% beträgt. Entsprechend ist in der zweiten Speicherbatterie 2, wenn die Speicherkapazität U2 aus dem voll aufgeladenen Zustand entladen wird, die Spannung die untere Grenzspannung in Normalgebrauch. Die Spannung wird dabei durch V2min dargestellt. Mit anderen Worten ist V2min die Spannung der zweiten Speicherbatterie 2, wenn der Ladezustand 0% beträgt. Wenn der Spannungswert, dem sich die Spannung annähert, wenn die erste Speicherbatterie1 mit der unteren Grenzspannung V1min und die zweite Speicherbatterie 2 mit der unteren Grenzspannung V2min aufgrund eines Systemfehlers parallel geschaltet werden, durch V2min dargestellt wird, erfolgt als Leitlinie für Sicherheit die Einstellung so, dass dieser Wert $$\text{V}2\text{Lim}<\text{V}12\text{min}$$

  

  erfüllen kann.
• In 2 sind Spannungs-/Kapazitätskennlinien der ersten Speicherbatterie 1 und Spannungs-/Kapazitätskennlinien der zweiten Speicherbatterie 2 gezeigt. Ferner sind in 3 Kennlinien von Spannung/elektrischer Energiebetrag der ersten Speicherbatterie 1 und Kennlinien von Spannung/elektrischer Energiebetrag der zweiten Speicherbatterie 2 gezeigt.
• Die Steuerung 4 nach dieser Ausführungsform schaltet die Schalter 11, 12 und 13 ein und aus, misst einen Strom, misst eine Spannung, steuert den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 3 und steuert den Wechselrichter 41.
• Bei der Spannungsmessung werden die Spannung V1 der ersten Speicherbatterie 1, die Spannung V2 der zweiten Speicherbatterie 2 und die Spannung Vc des Glättungskondensators (Snubber-Kondensators) 31 gemessen. Als Glättungskondensator wird ein Kondensator mit einer zufriedenstellenden Frequenzcharakteristik verwendet, und es wird ein Folienkondensator, ein Ölkondensator, eine Aluminium/Elektrolyt-Kondensator o. dgl. verwendet.
• Bei der Strommessung werden ein Strom IIa, der in die/ aus der erste/n Speicherbatterie 1 fließt, ein Strom I1b zwischen der ersten Speicherbatterie 1 und dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 3, ein Strom I2a, der in die/ aus der zweite/n Speicherbatterie 2 fließt und ein Strom I2b zwischen der zweiten Speicherbatterie 2 und dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 3 gemessen.
• Die Schalter (Relais) verbinden und öffnen elektrische Energieleitungen. Bei dem dritten Schalter 11 handelt es sich um einen Schalter, der dazu ausgelegt ist, die elektrische Energieleitung der ersten Speicherbatterie 1 (erster Pfad elektrischer Energie 51) und die elektrische Energieleitung der zweiten Speicherbatterie 2 (zweiter Pfad elektrischer Energie 52) miteinander zu verschalten. Der erste Schalter 12 öffnet/schließt eine negativelektrodenseitige elektrische Energieleitung 53 der ersten Speicherbatterie 1, und der zweite Schalter 13 öffnet/schließt die negativelektrodenseitige elektrische Energieleitung 53 der zweiten Speicherbatterie 2. Der Schalter 12 und der Schalter 13 befinden sich normalerweise in einem offenen Zustand.
• Ein beispielhafter Betrieb des Mehrfachenergieversorgungssystems nach der vorliegenden Ausführungsform wird beschrieben.
• Im Hinblick auf den Anschlusszustand des Mehrfachenergieversorgungssystems wird, wenn ein Leistungsbetrieb (elektrische Energie wird dem Motor/Generator 42 aus der Speicherbatterie zugeführt) normalerweise der Hauptbetrieb ist, elektrische Energie aus der ersten Speicherbatterie 1 geliefert, die als Speicherbatterie großer Kapazität dient. Dabei wirkt sich, wenn die elektrische Energie aus der ersten Speicherbatterie 1 über den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 3 geliefert wird, eine Effizienz η des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 3 auf diese aus, und somit wird die erste Speicherbatterie 1 ohne den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 3 angeschlossen. In diesem Fall wird der Schalter 11 an die elektrische Energieleitung der ersten Speicherbatterie 1 (erster Pfad elektrischer Energie 51) angeschlossen, und der Schalter 12 und der Schalter 13 befinden sich in einem Anschlusszustand. Dieser Zustand wird als Anschlusszustand 1 bezeichnet.
  Dabei verhindert, wenn die Effizienz des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 3 durch η dargestellt wird, ein Anschließen der als Hochleistungsspeicherbatterie dienenden zweiten Speicherbatterie 2 ohne den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 3 an den Wechselrichter 41, dass sich die Effizienz η des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 3 auf diese auswirkt, was günstig ist. In diesem Fall wird der Schalter 11 an die elektrische Energieleitung der zweiten Speicherbatterie 2 (zweiter Pfad elektrischer Energie 52) angeschlossen, und der Schalter 12 und der Schalter 13 befinden sich in einem Anschlusszustand. Dieser Zustand wird als Anschlusszustand 2 bezeichnet.
• Im dem Mehrfachenergieversorgungssystem nach der vorliegenden Erfindung wird der Anschluss mehrere Speichervorrichtungen, die verschiedene Spannungen haben, unter Verwendung der Schalter umgeschaltet. Dabei wird zum Zwecke, Welligkeiten aus dem Wechselrichter 42 zu reduzieren, die Spannung des parallel geschalteten Glättungskondensators 31 aufgeschaltet. Bei der Spannung des Glättungskondensators 31 handelt es sich um die Spannung der angeschlossenen Speicherbatterie, und somit ist es, wenn ein Wechsel zu einer Speicherbatterie erfolgt, die eine andere Spannung hat, notwendig, die Spannungen vor einem Wechsel des Anschlusses einheitlich auszulegen.
• 4 ist eine Darstellung eines beispielhaften Betriebsverfahrens der Schalter bei einem Übergang vom Anschlusszustand 1 zum Anschlusszustand 2. Im Anschlusszustand 1 ist der Schalter 11 an die erste Speicherbatterie 1 angeschlossen, und somit ist die Spannung Vc des Glättungskondenstors ≈ V1. Nachdem der Schalter 13 geöffnet wurde, um den Schaltkreis der zweiten Speicherbatterie 2 zu isolieren, wird der Schalter 11 an die elektrische Energieleitung der zweiten Speicherbatterie 2 angeschlossen. Danach wird die Spannung Vc des Glättungskondensators unter Verwendung der ersten Speicherbatterie 1 über den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 3 auf V2 verstärkt (boosted) und der Schalter 13 geschlossen.
• Ähnlich wird bei einem Übergang von Anschlusszustand 2 zum Anschlusszustand 1 der Schalter 11 an die zweite Speicherbatterie 2 angeschlossen, und somit ist die Spannung Vc des Glättungskondenstors ≈ V2. Nachdem der Schalter 12 geöffnet wurde, um den Schaltkreis der ersten Speicherbatterie 1 zu isolieren, wird der Schalter 11 an die Seite der ersten Speicherbatterie 1 angeschlossen. Danach wird die Spannung Vc des Glättungskondensators unter Verwendung der zweiten Speicherbatterie 2 über den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 3 auf V1 abgesenkt und der Schalter 12 geschlossen. Indem Anschlüsse wie vorstehend beschrieben hergestellt werden, kann die Verbindung zwischen Speicherbatterien, die unterschiedliche Spannungen haben, geschaltet werden.
• Beispiel 1 dieser Ausführungsform wird beschrieben. 80 Lithiumionen-Sekundärbatteriezellen, von denen jede ein aktives Material aus einem Gemisch von Kobalt, Nickel und Mangan für die positive Elektrode und ein aktives Material auf Graphitbasis für die negative Elektrode verwendete, wurden in Reihe angeschlossen, um als erste Speicherbatterie 1 verwendet zu werden. Die Nennspannung Va, die Bemessungskapazität U1, die elektrische Energiekapazität Wh1 der ersten Speicherbatterie 1 betrugen 296 V, 45 Ah bzw. 13,32 kWh. Die Spannung V1max, wenn die erste Speicherbatterie 1 bis zu 45 Ah aufgeladen war, betrug 328 V. Ferner betrug die sichere Höchstspannung V1Hlim der ersten Speicherbatterie 1 344 V, und die Kapazität U1lim, bis zu der die erste Speicherbatterie 1 sicher aufgeladen werden kann, 54 Ah. Darüber hinaus wurden 100 Lithiumionen-Sekundärbatteriezellen, von denen jede ein aktives Material aus einem Gemisch von Kobalt, Nickel und Mangan für die positive Elektrode und eine aktives Material aus Hartkohlenstoff für die negative Elektrode verwendete, in Reihe angeschlossen, um als zweite Speicherbatterie 2 verwendet zu werden. Die Nennspannung Vb, die Bemessungskapazität U2 und die elektrische Energiekapazität Wh2 der zweiten Speicherbatterie 2 betrugen 370 V, 4 Ah bzw. 1,48 kWh. Die Spannung V2max, wenn die zweite Speicherbatterie 2 bis zu 4 Ah aufgeladen war, betrug 410 V. Ferner betrug die sichere Höchstspannung V2Llim der zweiten Speicherbatterie 2 430 V. Ferner betrug die sichere Mindestspannung der zweiten Speicherbatterie 2 100 V. In diesem Fall galten Va < Vb, U1 > U2 und 0,2 × Wh1 > Wh2.
• Ein Fall wurde angenommen, in dem die erste Speicherbatterie 1 und die zweite Speicherbatterie 2, beide im voll aufgeladenen Zustand, aufgrund eines Systemfehlers elektrisch verbunden wurden. In diesem Fall näherte sich die Spannung der zweiten Speicherbatterie 2 der Spannung der ersten Speicherbatterie 1 der großen Speicherkapazität an und die Spannungen der ersten Speicherbatterie 1 und der zweiten Speicherbatterie 2 wurden zu 334 V. Die Spannungszunahme ΔV1 betrug 8 V, die erhöhte Speicherkapazität ΔU1 der ersten Speicherbatterie 1 betrug 3,5 Ah und der Übergangsbetrag elektrischer Energie ΔWh von der ersten Speicherbatterie 1 zur zweiten Speicherbatterie 2 betrug ca. 1,3 kW. Dabei galt Va < Vb, U1 > U2 und 0,2 × Wh1 > Wh2, und somit wird, auch wenn die erste Speicherbatterie 1 die aus der zweiten Speicherbatterie 2 eingeflossene Kapazität ΔU1 aufnimmt, Folgendes erfüllt. $$\text{U}1\text{lim}>\text{U}1+\Delta \text{U}1$$

  

  $$\text{V}1\text{Hlim}>\text{V}1\text{max}+\Delta \text{V}1$$

  

  $$\text{V}1\text{Hlim}>\text{V}12\text{max}$$

  

  $$\text{V}12\text{max}>\text{V}2\text{Llim}$$

  

  Deshalb liegen die Spannung und die Kapazität innerhalb der sicheren Höchstspannung bzw. der sicheren Höchstkapazität der Batterie. Darüber hinaus ist auch die Leitlinie zur Sicherheit der Spannung befolgt.
• Ullim ist ein Kapazitätswert, oberhalb dessen ein Laden zu Wärmeentstehung führen kann, U1 ist die Bemessungskapazität, und ΔU1 ist die Kapazität, die aus der zweiten Speicherbatterie in die erste Speicherbatterie fließt. V1Hlim ist die sichere Höchstspannung der ersten Speicherbatterie und beträgt im Falle von Beispiel 1 4,3 V pro Zelle. V1max ist der Spannungswert, wenn die Batterie auf ihren Bemessungsstrom aufgeladen ist, und ist die obere Grenzspannung zum Gebrauch. ΔV1 ist der Spannungszunahmewert der ersten Speicherbatterie 1, wenn die Kapazität ΔU in sie fließt. Beispielhafte Werte können wie folgt sein. $$\begin{array}{l}\text{U}1\text{lim}=54\text{ Ah}\text{, U}1=45\text{ Ah}\text{, }\Delta \text{U}1=\mathrm{3,5}\text{ Ah}\text{, V}1\text{Hlim}=344\text{ V}\text{, V}1\text{max}=328\text{ V und }\Delta \text{V}1\\ =8\text{ V}\end{array}$$

  
• Mit anderen Worten kann ein Mehrfachenergieversorgungssystem mit der vorstehend beschriebenen Auslegung selbst unter von der Norm abweichenden Bedingungen des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers oder selbst, wenn ein Fehler beim Schalten der Schalter auftritt, effizient und sicher geladen und entladen werden.
• Als Vergleichbeispiel 1 wird hier ein Fall in Betracht gezogen, in dem Va > Vb und U1 > U2 waren. 100 Lithiumionen-Sekundärbatteriezellen, von denen jede ein aktives Material aus einem Gemisch von Kobalt, Nickel und Mangan für die positive Elektrode und ein aktives Material auf Graphitbasis für die negative Elektrode verwendete, wurden in Reihe angeschlossen, um als erste Speicherbatterie 1 verwendet zu werden. Die Nennspannung Va, die Bemessungskapazität U1 und die elektrische Energiekapazität Wh1 der ersten Speicherbatterie 1 betrugen 370 V, 45 Ah bzw. 16,65 kWh. Die Spannung V1max, wenn die erste Speicherbatterie 1 bis zu 45 Ah aufgeladen war, betrug 410 V. Ferner betrug die sichere Höchstspannung V1Hlim der ersten Speicherbatterie 1 420 V, und die Kapazität U1lim, bis zu der die erste Speicherbatterie 1 sicher aufgeladen werden kann, 54 Ah. Darüber hinaus wurden 80 Lithiumionen-Sekundärbatteriezellen, von denen jede ein aktives Material aus einem Gemisch von Kobalt, Nickel und Mangan für die positive Elektrode und eine aktives Material aus Hartkohlenstoff für die negative Elektrode verwendete, in Reihe angeschlossen, um als zweite Speicherbatterie 2 verwendet zu werden. Die Nennspannung Vb, die Bemessungskapazität U2 und die elektrische Energiekapazität Wh2 der zweiten Speicherbatterie 2 betrugen 296 V, 4 Ah bzw. 1,18 kWh. Die Spannung V2max, wenn die zweite Speicherbatterie 2 bis zu 4 Ah aufgeladen war, betrug 328 V. Ferner betrug die sichere Höchstspannung V2Llim der zweiten Speicherbatterie 2 344 V.
• Entsprechend wurde ein Fall angenommen, in dem die erste Speicherbatterie 1 und die zweite Speicherbatterie 2, beide im voll aufgeladenen Zustand, aufgrund eines Systemfehlers elektrisch verbunden wurden. Die Spannung der zweiten Speicherbatterie 2 näherte sich der Spannung der ersten Speicherbatterie 1 der großen Kapazität an und überschritt 344 V, die als die sichere Höchstspannung V2Hlim der zweiten Speicherbatterie 2 dienen, und deshalb wurde das Experiment gestoppt.
• Ferner wurde hier als Vergleichsbeispiel 2 ein Fall in Betracht gezogen, in dem Va< Vb und U1 < U2 waren. 80 Lithiumionen-Sekundärbatteriezellen, von denen jede ein aktives Material aus einem Gemisch von Kobalt, Nickel und Mangan für die positive Elektrode und ein aktives Material aus Hartkohlenstoff für die negative Elektrode verwendete, wurden in Reihe angeschlossen, um als erste Speicherbatterie 1 verwendet zu werden.
  Die Nennspannung Va, die Bemessungskapazität U1, die elektrische Energiekapazität Wh1 der ersten Speicherbatterie 1 betrugen 296 V, 4 Ah bzw. 1,18 kWh. Die Spannung V1max, wenn die erste Speicherbatterie 1 bis zu 4 Ah aufgeladen war, betrug 328 V. Ferner betrug die sichere Höchstspannung V1Hlim der ersten Speicherbatterie 1 344 V, und die Kapazität U1lim, bis zu der die erste Speicherbatterie 1 sicher aufgeladen werden kann, 4,4 Ah. Darüber hinaus wurden 100 Lithiumionen-Sekundärbatteriezellen, von denen jede ein aktives Material aus einem Gemisch von Kobalt, Nickel und Mangan für die positive Elektrode und ein aktives Material auf Graphitbasis für die negative Elektrode verwendete, in Reihe angeschlossen, um als zweite Speicherbatterie 2 verwendet zu werden. Die Nennspannung Vb, die Bemessungskapazität U2 und die elektrische Energiekapazität Wh2 der zweiten Speicherbatterie 2 betrugen 370 V, 45 Ah bzw. 16,65 kWh. Die Spannung V2max, wenn die zweite Speicherbatterie 2 bis zu 50 Ah aufgeladen war, betrug 410 V. Ferner betrug die sichere Höchstspannung V2Llim der zweiten Speicherbatterie 2 430 V.
• Entsprechend wurde ein Fall angenommen, in dem die erste Speicherbatterie 1 und die zweite Speicherbatterie 2, beide im voll aufgeladenen Zustand, aufgrund eines Systemfehlers elektrisch verbunden wurden. Die Spannung der ersten Speicherbatterie 1 näherte sich der Spannung der zweiten Speicherbatterie 2 der großen Kapazität an und überschritt 344 V, die als die sichere Höchstspannung V1Hlim der ersten Speicherbatterie 1 dienen, und deshalb wurde das Experiment gestoppt.
• Als Nächstes wird Beispiel 2 dieser Ausführungsform beschrieben. 16 Lithiumionen-Sekundärbatteriezellen, wovon jede eine Nennspannung von 3,2 V und eine Bemessungskapazität von 45 Ah hatte, wurden in Reihe angeschlossen, und zwei derartiger Reihenanschlüsse wurden parallel geschaltet, um als erste Speicherbatterie 1 verwendet zu werden. Die Nennspannung Va, die Bemessungskapazität U1 und die elektrische Energiekapazität Wh1 der ersten Speicherbatterie 1 betrugen 51,2 V, 90 Ah bzw. 4,6 kWh. Die Spannung V1max, wenn die erste Speicherbatterie 1 bis zu 90 Ah aufgeladen war, betrug 54,4 V. Ferner betrug die sichere Höchstspannung V1Hlim der ersten Speicherbatterie 1 64 V, und die Kapazität U1lim, bis zu der die erste Speicherbatterie 1 sicher aufgeladen werden kann, 108 Ah. 100 Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen wurden in Reihe angeschlossen, um als zweite Speicherbatterie 2 verwendet zu werden. Die Nennspannung Vb, die Bemessungskapazität U2 und die elektrische Energiekapazität Wh2 der zweiten Speicherbatterie 2 betrugen 120 V, 6 Ah bzw. 0,72 kWh. Die Spannung V2max, wenn die zweite Speicherbatterie 2 bis zu 6 Ah aufgeladen war, betrug 140 V. Ferner betrug die sichere Höchstspannung V2Llim der zweiten Speicherbatterie 2 150 V. In diesem Fall galt Va < Vb, U1 > U2 und 0,2 × Wh1 > Wh2.
• Ein Fall wurde angenommen, in dem die erste Speicherbatterie 1 und die zweite Speicherbatterie 2, beide im voll aufgeladenen Zustand, aufgrund eines Systemfehlers elektrisch verbunden wurden. In diesem Fall näherte sich die Spannung der zweiten Speicherbatterie 2 der Spannung der ersten Speicherbatterie 1 der großen Speicherkapazität an und die Spannungen der ersten Speicherbatterie 1 und der zweiten Speicherbatterie 2 wurden zu 60,8 V. Die Spannungszunahme ΔV1 betrug 6,4 V, die erhöhte Speicherkapazität ΔU1 der ersten Speicherbatterie 1 betrug ungefähr 12 Ah und der Übergangsbetrag elektrischer Energie ΔWh von der ersten Speicherbatterie 1 zur zweiten Speicherbatterie 2 betrug ca. 0,7 kW. Dabei galt Va < Vb, U1 > U2 und 0,2 × Wh1 > Wh2, und somit wird, auch wenn die erste Speicherbatterie 1 die aus der zweiten Speicherbatterie 2 eingeflossene Kapazität ΔU1 aufnimmt, Folgendes erfüllt. $$\text{U}1\text{lim}>\text{U}1+\Delta \text{U}1$$

  

  $$\text{V}1\text{Hlim}>\text{V}1\text{max}+\Delta \text{V}1$$

  

  $$\text{V}1\text{Hlim}>\text{V}12\text{max}$$

  
• Deshalb liegen die Spannung und die Kapazität innerhalb der sicheren Höchstspannung bzw. der sicheren Höchstkapazität der Batterie. Darüber hinaus ist auch die Leitlinie zur Sicherheit der Spannung befolgt.
• Ullim ist ein Kapazitätswert, über dem ein Laden zu Wärmeentstehung führen kann, U1 ist die Bemessungskapazität, und ΔU1 ist die Kapazität, die aus der zweiten Speicherbatterie in die erste Speicherbatterie fließt. V1Hlim ist die sichere Höchstspannung der ersten Speicherbatterie und beträgt im Falle von Beispiel 2 4 V pro Zelle. V1max ist der Spannungswert, wenn die Batterie auf ihren Bemessungsstrom aufgeladen ist, und ist die obere Grenzspannung zum Gebrauch. ΔV1 ist der Spannungszunahmewert der ersten Speicherbatterie 1, wenn die Kapazität ΔU in sie fließt. Beispielhafte Werte können wie folgt sein. $$\begin{array}{l}\text{U}1\text{lim}=108\text{ Ah}\text{, U}1=90\text{ Ah}\text{, }\Delta \text{U}1=12\text{ V}\text{, V}1\text{Hlim}=64\text{ V}\text{, V}1\text{max}=\mathrm{54,4}\text{ V und }\Delta \text{V}1\\ =\mathrm{6,4}\text{ V}\end{array}$$

  
• Mit anderen Worten kann ein Mehrfachenergieversorgungssystem mit der vorstehend beschriebenen Auslegung selbst unter von der Norm abweichenden Zuständen des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers oder selbst, wenn ein Fehler beim Schalten der Schalter auftritt, effizient und sicher geladen und entladen werden.
• Als Vergleichsbeispiel 3 wird hier ein Fall beschrieben, in dem Va < Vb, U1 > U1 und 0,2 × Wh1 < Wh2 waren. 16 Lithiumionen-Sekundärbatteriezellen, wovon jede eine Nennspannung von 3,2 V und eine Bemessungskapazität von 45 Ah hatte, wurden in Reihe angeschlossen, und zwei derartiger Reihenanschlüsse wurden parallel geschaltet, um als erste Speicherbatterie 1 verwendet zu werden. Die Nennspannung Va, die Bemessungskapazität U1, die elektrische Energiekapazität Wh1 der ersten Speicherbatterie 1 betrugen 51,2 V, 90 Ah bei 1 C bzw. 4,6 kWh, und die Spannung V1max, wenn die erste Speicherbatterie 1 bis zu 90 Ah aufgeladen war, betrug 54,4 V. Ferner betrug die sichere Höchstspannung V1Hlim der ersten Speicherbatterie 1 64 V, und die Kapazität U1lim, bis zu der die erste Speicherbatterie 1 sicher aufgeladen werden kann, 108 Ah. 150 Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen wurden in Reihe angeschlossen, um als zweite Speicherbatterie 2 verwendet zu werden. Die Nennspannung Vb, die Bemessungskapazität U2 und die elektrische Energiekapazität Wh2 der zweiten Speicherbatterie 2 betrugen 180 V, 6 Ah bzw. 1,1 kWh. Die Spannung V2max, wenn die zweite Speicherbatterie 2 bis zu 6 Ah aufgeladen war, betrug 210 V. Ferner betrug die sichere Höchstspannung V2Llim der zweiten Speicherbatterie 2 225 V. In diesem Fall galt Va < Vb, U1 > U2 und 0,2 × Wh1 > Wh2.
• Entsprechend wurde ein Experiment für den Fall durchgeführt, in dem die erste Speicherbatterie 1 und die zweite Speicherbatterie 2, beide im voll aufgeladenen Zustand, aufgrund eines Systemfehlers elektrisch verbunden wurden. Die Spannung der zweiten Speicherbatterie 2 näherte sich der Spannung der ersten Speicherbatterie 1 der großen Kapazität an, die Spannung der ersten Speicherbatterie stieg auch an und überschritt 64 V, die als die sichere Höchstspannung V1Hlim der ersten Speicherbatterie 1 dienen, und deshalb wurde das Experiment gestoppt.
• Wie vorstehend beschrieben, kann in dem Energieversorgungssystem, das die erste Speicherbatterie 1, bei der es sich um Lithiumionen-Sekundärbatterien handelt, die zweite Speicherbatterie 2, den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 3, die Schalter, die Steuerung und den Glättungskondensator umfasst, indem die Spannungen, Kapazitäten und elektrischen Energiebeträge der ersten Speichervorrichtung und der zweiten Speichervorrichtung so eingestellt werden, dass die Verhältnisse Va < Vb, U1 > U2 und 0,2 × Wh1 > Wh2 erfüllt werden, das System selbst dann sicher sein, wenn die erste Speicherbatterie 1 und die zweite Speicherbatterie 2 unter von der Norm abweichenden Bedingungen direkt verbunden werden.
• In der Auslegung des verwandten Stands der Technik können mehrere Versorgungspfade für elektrische Energie unter Verwendung eines Schalters o. dgl. realisiert werden. In diesem Fall können die Speicherbatterien beispielsweise aufgrund eines Systemfehlers unerwartet verbunden werden. Wenn die Speicherbatterien verbunden werden, geht in einer Speicherbatterie gespeicherte Energie zu einer anderen Speicherbatterie über, die eine niedrigere Spannung hat, was zu einer Explosion oder einem Brand führen kann, und somit muss die Auslegung derartige Belange berücksichtigen.
• Dementsprechend ist im Energieversorgungssystem nach der vorliegenden Erfindung das Verhältnis zwischen den Spannungen, Stromkapazitäten und elektrischen Energiekapazitäten der Speicherbatterien so definiert, dass, selbst wenn Energie unter von der Norm abweichenden Bedingungen aus der Speicherbatterie auf der Seite höherer Spannung zur Speicherbatterie auf der Seite niedrigerer Spannung übergeht, die Speicherbatterien in einem für Überladung oder Überentladung weniger anfälligen Zustand gehalten werden können.
• Mit anderen Worten sind, selbst wenn ein Fehler beim Schalten der Schalter auftritt, die Grenzspannungen und die elektrischen Energiebeträge der ersten und zweiten Speicherbatterie so definiert, dass ein Schaden für die zweite Speicherbatterie minimiert ist.
• Anzumerken ist, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nicht als einschränkend, sondern in allen Hinsichten als beispielhaft aufgefasst werden sollten. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht der Umfang der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, sondern wird durch die beigefügten Ansprüche definiert und umfasst alle Äquivalente und Varianten, die in den Rahmen der Ansprüche fallen.
• Industrielle Anwendbarkeit
• Erfindungsgemäß kann das Energieversorgungssystem erhalten werden, das in der Lage ist, einen Zustand zu halten, in dem die Speicherbatterien für Überladung oder Überentladung weniger anfällig sind.
• Bezugszeichenliste

1

erste Speicherbatterie,

2

zweite Speicherbatterie,

3

bidirektionaler Gleichstrom- Gleichstrom-Wandler,

4

Steuerung,

11

dritter Schalter,

12

erster Schalter,

13

zweiterSchalter,

21

Stromsensor,

22

Stromsensor,

23

Stromsensor,

24

Stromsensor,

31

Glättungskondensator,

40

Energie abgebende/aufnehmende Ausrüstung,

41

Wechsel-richter,

42

Motor/Generator,

51

erster Pfad elektrischer Energie,

52

zweiter Pfad elektrischer Energie,

53

negativelektrodenseitige elektrische Energieleitung

Claims (5)

1. Energieversorgungssystem, Folgendes umfassend: eine erste Speicherbatterie und eine zweite Speicherbatterie, die parallel an eine elektrische Energie abgebende/aufnehmende Ausrüstung angeschlossen sind; einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der dazu ausgelegt ist, elektrische Energie zwischen der ersten Speicherbatterie und der zweiten Speicherbatterie abzugeben/aufzunehmen; einen Schalter, der dazu ausgelegt ist, die erste Speicherbatterie und die zweite Speicherbatterie separat von einer Lastvorrichtung abtrennen zu können; und eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, den Schalter und den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler zu steuern, wobei, wenn eine Nennspannung der ersten Speicherbatterie durch Va dargestellt wird, und eine Bemessungskapazität der ersten Speicherbatterie durch U1 dargestellt wird, eine Nennspannung der zweiten Speicherbatterie durch Vb dargestellt wird und eine Bemessungskapazität der zweiten Speicherbatterie durch U2 dargestellt wird: die erste Speicherbatterie und die zweite Speicherbatterie so ausgebildet sind, dass die Relationen Va<Vb und U1>U2 erfüllt sind, und die Nennspannung Va der ersten Speicherbatterie, die Bemessungskapazität U1 der ersten Speicherbatterie, die Nennspannung Vb der zweiten Speicherbatterie und die Bemessungskapazität U2 der zweiten Speicherbatterie durch U2 so eingestellt sind, dass, wenn elektrische Energie von der zweiten Speicherbatterie zur ersten Speicherbatterie übergeht, ein Spannungsanstieg der ersten Speicherbatterie einen vorbestimmten oberen Grenzwert V1Hlim nicht übersteigt oder eine Kapazität der ersten Speicherbatterie einen vorbestimmten oberen Grenzwert Ullim nicht übersteigt.
2. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei der Schalter, der dazu ausgelegt ist, die erste Speicherbatterie und die zweite Speicherbatterie separat von der Lastvorrichtung abtrennen zu können, umfasst: einen ersten Schalter, der zwischen der ersten Speicherbatterie und der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung angeordnet ist; und einen zweiten Schalter, der zwischen der zweiten Speicherbatterie und der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung angeordnet ist, und wobei das Energieversorgungssystem darüber hinaus einen dritten Schalter umfasst, der dazu ausgelegt ist, einen ersten Pfad elektrischer Energie, der die erste Speicherbatterie mit der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung verbindet, und einen zweiten Pfad elektrischer Energie, der die zweite Speicherbatterie mit der elektrische Energie abgebenden/aufnehmenden Ausrüstung verbindet, zu schalten.
3. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verhältnis Wh1 > Wh2 erfüllt ist, worin Wh1 ein elektrischer Energiebetrag ist, der ein Produkt der Nennspannung und der Bemessungskapazität der ersten Speicherbatterie ist, und Wh2 ein elektrischer Energiebetrag ist, der ein Produkt der Nennspannung und der Bemessungskapazität der zweiten Speicherbatterie ist.
4. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei Wh2 mit dem 0,2-fachen oder weniger von Wh1 angesetzt wird, worin Wh1 ein elektrischer Energiebetrag ist, der ein Produkt der Nennspannung und der Bemessungskapazität der ersten Speicherbatterie ist, und Wh2 ein elektrischer Energiebetrag ist, der ein Produkt der Nennspannung und der Bemessungskapazität der zweiten Speicherbatterie ist.
5. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Energie abgebende/aufnehmende Ausrüstung eine Ausrüstung mit einem Motor/Generator und einem Wechselrichter umfasst.

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