DE202012102469U1

DE202012102469U1 - Energiespeichervorrichtung

Info

Publication number: DE202012102469U1
Application number: DE202012102469U
Authority: DE
Original assignee: Weber electronic GmbH
Current assignee: HANNELORE WEBER, DE; WEBER, HANNELORE, DE
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2012-08-06
Anticipated expiration: 2022-07-05

Abstract

Energiespeichervorrichtung (1) umfassend eine Anordnung einzelner Lithium-Yttrium-Akkumulatoren (6), wobei jeder Lithium-Yttrium-Akkumulator (6) an einen Kaskadenlader (4) angeschlossen ist und die Kaskadenlader (4) von einer Steuereinheit (3) gesteuert sind, so dass über die Steuereinheit (3) die Kaskadenlader (4) einzeln gesteuert werden und dadurch die Lithium-Yttrium-Akkumulatoren (6) einzeln geladen werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung.
Energiespeichervorrichtungen der in Rede stehenden Art stellen Batterie-, das heißt Akkumulator-Anordnungen dar, die insbesondere als Energiespeicher in Kombination mit von Photovoltaik-Anlagen eingesetzt werden.
Typischerweise kommen derartige Systeme in Gebäuden, insbesondere in Hausern von Privathaushalten, zum Einsatz. Die von Photovoltaikmodulen erzeugte elektrische Energie wird in Akkumulator-Anordnungen abgespeichert, um diese Energie bei Bedarf in dem jeweiligen Privathaushalt nutzen zu können.
Ein wesentliches Problem ist, dass herkömmliche Akkumulator-Anordnungen abgesehen von relativ geringen Wirkungsgraden auch eine unerwünscht geringe Lebensdauer aufweisen. Diese Akkumulator-Anordnungen bestehen aus Blei-Säure-Akkumulator-Blöcken, wobei die einzelnen Akkumulator-Zellen eines Akkumulator-Blocks eine untrennbare Baueinheit bilden. Fällt eine Akkumulator-Zelle aufgrund eines Defekts aus, ist der gesamte Akkumulator-Block unbrauchbar, das heißt die Lebensdauer ist durch die zuerst ausfallende Akkumulator-Zelle begrenzt. Damit ist die Lebensdauer eines solchen Akkumulator-Blocks entsprechend begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, welche flexibel steuerbar ist und bei geringem konstruktivem Aufwand eine hohe Verfügbarkeit aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung umfasst eine Anordnung einzelner Lithium-Yttrium-Akkumulatoren, wobei jeder Lithium-Yttrium-Akkumulator an einen Kaskadenlader angeschlossen ist. Die Kaskadenlader sind von einer Steuereinheit gesteuert, so dass über die Steuereinheit die Kaskadenlader einzeln gesteuert werden. Dadurch können die Lithium-Yttrium-Akkumulatoren einzeln geladen werden.
Ein erster wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung besteht darin, dass diese durch den Einsatz von Lithium-Yttrium-Akkumulatoren eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist. Lithium-Yttrium-Akkumulator, das heißt Li Fe Y PO₄-Batterien, weisen hohe Ladekapazitäten auf, können schnell geladen werden und weisen generell eine hohe Lebensdauer auf.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung besteht darin, dass diese eine Anordnung einzelner Lithium-Yttrium-Akkumulatoren aufweist, die zudem einzeln durch die Steuereinheit ansteuerbar und über die Kaskadenlader einzeln geladen werden können. Dementsprechend können bei einem Ausfall von Lithium-Yttrium-Akkumulatoren diese einzeln ersetzt werden. Im Vergleich zu Akkumulator-Blöcken wird somit eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer der erfindungsgemäßen Akkumulator-Anordnung und weiterhin eine erhöhte Verfügbarkeit der gesamten Energiespeichervorrichtung erzielt, da bei einem Ausfall eines Lithium-Yttrium-Akkumulators alle anderen funktionsfähig bleiben und weiter eingesetzt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit wenigstens einen Microcontroller sowie eine Anzeigeeinheit auf.
Der Microcontroller dient zur Durchführung von Steuerungsvorgängen, während mit der Anzeigeeinheit insbesondere eine Statusanzeige von Komponenten der Energiespeichervorrichtung, insbesondere der einzelnen Lithium-Yttrium-Akkumulatoren, erfolgt. Insbesondere werden mit der Steuereinheit die Betriebszustände der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren überwacht und angezeigt. Vorteilhaft wird mit der Steuereinheit angezeigt, ob ein Lithium-Yttrium-Akkumulator betriebsbereit ist, oder ob dieser ausgefallen ist, oder ob bei diesem eine Störung vorliegt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Kaskadenlader von einem regelbaren Schaltnetzteil gebildet. Jedes Schaltnetzteil weist eine Schnittstelleneinheit zum Anschluss eines Lithium-Yttrium-Akkumulators und zum Anschluss an die Steuereinheit auf. Zum Laden eines Lithium-Yttrium-Akkumulators entnimmt das zugeordnete Schaltnetzteil Strom von einer Stromquelle und generiert eine Spannung, die in den Lithium-Yttrium-Akkumulator eingespeist wird.
Die so ausgebildeten Kaskadenlader bilden somit Funktionseinheiten zum Laden der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren, wobei diese bevorzugt an eine Netzspannung angeschlossen sind und eine Spannungsumsetzung für die bei wesentlich geringeren Spannungen betriebenen Lithium-Yttrium-Akkumulatoren vornehmen.
Besonders vorteilhaft ist in jedem Kaskadenlader eine Überwachungseinheit integriert, mittels derer Strom und/oder die Spannung für den jeweils angeschlossenen Lithium-Yttrium-Akkumulator überwacht wird.
Die Kaskadenlader bilden somit selbstüberwachende Einheiten, wodurch die Betriebssicherheit der gesamten Energiespeichervorrichtung erhöht wird.
Diese Betriebssicherheit kann vorteilhaft dadurch noch weiter erhöht werden, dass an jedem Lithium-Yttrium-Akkumulator eine Temperaturüberwachungseinheit vorgesehen ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Zeitverhalten der Ladevorgänge der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren durch die Steuereinheit vorgegeben.
Weiterhin werden Entladevorgänge der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren zur Entnahme von Energie über die Steuereinheit gesteuert.
Mit der Steuereinheit erfolgt somit ein komplettes Zeitmanagement für die Speicherung von Energie in den Lithium-Yttrium-Akkumulatoren und für die Entnahme von Energie aus den Lithium-Yttrium-Akkumulatoren.
Durch eine solche Steuerung können die einzelnen Lade- und Entladevorgänge individuell und optimal an die einzelnen Lithium-Yttrium-Akkumulatoren angepasst werden, wodurch der Wirkungsgrad der Energiespeichervorrichtung erhöht wird und zudem auch die Lebensdauer der einzelnen Lithium-Yttrium-Akkumulatoren erhöht werden.
Besonders vorteilhaft ist die Steuereinheit programmierbar oder parametrierbar.
Insbesondere werden das Zeitverhalten der Ladevorgänge und die Entladevorgänge der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren durch eine Programmierung oder Parametrierung der Steuereinheit vorgegeben.
Durch die Programmierbarkeit beziehungsweise Parametrierfähigkeit der Steuereinheit kann eine flexible und exakte Anpassung an spezifische Applikationen erfolgen, wobei besonders vorteilhaft ist, dass beispielsweise durch eine Parametrierung der Steuereinheit am Einsatzort flexibel auf sich ändernde Einsatzbedingungen reagiert werden kann.
Weiterhin kann somit in der Steuereinheit eine flexible Anpassung an eine mögliche Änderung der Anzahl oder der Ausbildungen einzelner Lithium-Yttrium-Akkumulatoren erfolgen. Damit kann die Energiespeichervorrichtung flexibel in unterschiedlichen Konfigurationen vorgesehen werden.
Das Zeitverhalten der einzelnen Ladevorgänge wird durch die Steuereinheit vorteilhaft derart vorgegeben, dass ein Ladevorgang eines Lithium-Yttrium-Akkumulators dadurch gestartet oder beendet wird, dass von der Steuereinheit ein Schaltsignal an den dem Lithium-Yttrium-Akkumulator zugeordneten Kaskadenlader ausgegeben wird.
Mit diesen Schaltsignalen können Steuervorgänge besonders schnell und einfach durchgeführt werden.
Besonders vorteilhaft dienen von der Steuereinheit generierte Signale auch zur Steuerung der einzelnen Kaskadenlader. Beispielsweise wird durch ein Schaltsignal, mittels dessen ein Ladevorgang des Lithium-Yttrium-Akkumulators beendet wird, der zugeordnete in einen Stand-by-Betrieb geschaltet.
Damit wird ein besonders energieeffizienter Betrieb der Energiespeichervorrichtung gewährleistet, da ein in den Stand-by Betrieb geschalteter Kaskadenlader eine sehr geringe Stromaufnahme und damit einen gegenüber dem Normalbetrieb weitaus geringeren Energieverbrauch aufweist.
Besonders vorteilhaft gibt der zugeordnete Kaskadenlader, sobald ein Lithium-Yttrium-Akkumulator vollständig aufgeladen ist, ein Meldesignal an die Steuereinheit aus, worauf die Steuereinheit den Ladevorgang dieses Lithium-Yttrium-Akkumulators beendet.
Damit übernehmen die einzelnen Kaskadenlader eine Kontrollfunktion, damit unnötige Ladevorgänge vermieden werden. Die Kaskadenlader bilden somit selbst intelligente Einheiten, wodurch die Funktionalität, insbesondere die Betriebssicherheit der Energiespeichervorrichtung, erhöht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Aufladung der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren ein von einer Anordnung von Photovoltaikmodulen generierter Strom verwendet.
Mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung kann die von den Photovoltaikmodulen erzeugte Energie effektiv genutzt werden. Die gesamte Anlage kann insbesondere als flexible Energieversorgung für Gebäude und dergleichen genutzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1: Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung.
2: Schematische Darstellung eines Applikationsbeispiels für die Energiespeichervorrichtung gemäß 1.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Energiespeichervorrichtung 1. Mit dieser Energiespeichervorrichtung 1 erfolgt eine Speicherung von Energie, die im vorliegenden Fall von einer Anordnung von Photovoltaikmodulen 2 generiert wird.
Die Energiespeichervorrichtung 1 umfasst eine zentrale Steuereinheit 3, an welche eine Anordnung von Kaskadenlader 4 angeschlossen ist. Hierzu ist eine Zuleitung 5 von der Steuereinheit 3 auf die Eingänge von Schnittstelleneinheiten der jeweiligen Kaskadenlader 4 geführt, die im vorliegenden Fall von RS485-Schnittstellen gebildet sind. An die Ausgänge jedes Kaskadenladers 4 ist ein einzelner Lithium-Yttrium-Akkumulator 6, das heißt eine Li Fe Y PO₄-Batterie, angeschlossen.
1 zeigt eine Anordnung mit fünf Kaskadenladern 4 und fünf Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 1 kann generell auch eine andere Anzahl von Kaskadenladern 4 und Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 aufweisen, wobei diese Anzahl bevorzugt größer als fünf ist. In jedem Fall ist immer ein Lithium-Yttrium-Akkumulator 6 an einen Kaskadenlader 4 angeschlossen.
Die Steuereinheit 3 weist einen Microcontroller und eine Anzeigeeinheit auf, wobei die Anzeigeeinheit im einfachsten Fall aus einer Anordnung von Leuchtdioden besteht.
Die identisch ausgebildeten Kaskadenlader 4 sind jeweils von einem regelbaren Schaltnetzteil gebildet. In jedem Kaskadenlader 4 ist dabei eine Überwachungseinheit integriert, mittels derer der Strom und/oder die Spannung für den angeschlossenen Lithium-Yttrium-Akkumulator 6 überwacht wird.
Die identisch ausgebildeten Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 sind jeweils mit einer Temperaturüberwachungseinheit ausgestattet, deren Signale an die Steuereinheit 3 übertragen werden. Die Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 arbeiten bei einer Arbeitsspannung von 12 V.
Mit der Steuereinheit 3 werden Lade- und Entladevorgänge der einzelnen Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 gesteuert. Das Zeitverhalten dieser Lade- und Entladevorgänge ist vorzugsweise an die jeweiligen Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 und auch an die jeweilige Applikation angepasst. Hierzu ist die Steuereinheit 3 programmierbar oder parametrierbar.
Für die Ladevorgänge der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 wird die in der Anordnung der Photovoltaikmodule 2 generierte elektrische Energie genutzt.
An dem Ausgang der Anordnung der Photovoltaikmodule 2 ist ein Wechselrichter 7 angeschlossen. Damit wird auf einer Leitung 8 eine Netzspannung von 230 V und ein Strom bereitgestellt, der über eine Leitung 8 den Kaskadenladern 4 zur Verfügung gestellt ist.
Die Steuerung von Ladevorgängen von Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 über die Steuereinheit 3 erfolgt derart, dass von der Steuereinheit 3 an die einzelnen Kaskadenlader 4 selektiv Schaltsignale ausgegeben werden, so dass ein einzelner oder eine bestimmte Anzahl von Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 geladen wird. Die Schaltsignale umfassen ein START- und ein STOP-Signal. Empfangt ein Kaskadenlader 4 von der Steuereinheit 3 ein START-Signal, wird ein Ladevorgang für den an diesen Kaskadenlader 4 angeschlossenen Lithium-Yttrium-Akkumulator 6 initiiert und durchgeführt. Hierzu entnimmt der Kaskadenlader 4 Strom vom Netzspannungsanschluss, das heißt von der Leitung 8 und generiert damit eine Spannung, die als Ladespannung dem Lithium-Yttrium-Akkumulator 6 zugeführt ist.
Mit einem von der Steuereinheit 3 ausgesandten STOP-Signal wird der Ladevorgang beendet und der Kaskadenlader 4 zugleich in einen energiesparenden Stand-by-Betrieb geschaltet.
Die Ladevorgänge sind generell an die Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 angepasst, insbesondere um eine Tiefentladung der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 zu vermeiden und um so längere Standzeiten im entladenen Zustand zu vermeiden. Hierzu wird das Zeitverhalten der Ladevorgänge der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 von der Steuereinheit 3 in geeigneter Weise gesteuert.
Als weitere Überwachungsmaßnahme meldet jeder Kaskadenlader 4 an die Steuereinheit 3 mittels eines Meldesignals, wenn der jeweils zugeordnete Lithium-Yttrium-Akkumulator 6 vollständig aufgeladen ist, so dass dann der Ladevorgang des Lithium-Yttrium-Akkumulators 6 durch die Steuereinheit 3 beendet wird.
Mit der Steuereinheit 3 wird weiterhin auch die Entnahme von Energie aus den Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 gesteuert, um diese Energie einem Verbraucher zuzuführen.
Schließlich erfolgt mit der Steuereinheit 3 eine Überwachung der angeschlossenen Einheiten, so dass deren Status mit der Anzeigeeinheit visualisiert werden kann. Insbesondere wird der Status der angeschlossenen Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6 ermittelt und angezeigt. Vorteilhaft erfolgt eine Anzeige derart, dass signalisiert wird, ob ein Lithium-Yttrium-Akkumulator 6 betriebsbereit oder ausgefallen ist oder ob bei diesem eine Störung vorliegt.
2 zeigt ein Applikationsbeispiel der Energiespeichervorrichtung 1 gemäß 1. Hierbei handelt es sich um ein Wohnhaus eines Privathaushalts, welches in bekannter Weise eine Anordnung von Photovoltaikmodulen 2 als zusätzliche Energiequelle aufweist. Der Anordnung ist wieder ein Wechselrichter 7 sowie ein Zähler 9 nachgeordnet. Die Anordnung der Photovoltaikmodule 2 ist wieder über die Leitung 8 mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 verbunden. Das Wohnhaus weist weiterhin einen herkömmlichen Hausanschluss in Form eines Zweirichtungszählers zum Anschluss an das Netz eines Energieversorgungsunternehmens auf.
Mit der Anordnung der Photovoltaikmodule 2 kann, wie mit dem Pfeil A veranschaulicht, die Energie dem Wohnhaus direkt zu Heizungszwecken zugeführt werden. Ebenso ist eine Rück-Einspeisung von Energie in das Netz des Energieversorgungsunternehmens möglich, wie mit dem Pfeil B veranschaulich ist.
Schließlich kann Energie aus der Anordnung der Photovoltaikmodule 2 auch der Energiespeichervorrichtung 1 zugeführt werden, um diese dort zu speichern, indem die Lithium-Yttrium-Akkumulatoren 6, gesteuert von der Steuereinheit 3, über die Kaskadenlader 4 aufgeladen werden. Bei Bedarf kann die in der Energiespeichervorrichtung 1 gespeicherte Energie (wie mit dem Pfeil C veranschaulicht) dem Wohnraum zu Heizungszwecken und dergleichen zugeführt werden. Eine Rückführung von Energie aus der Energiespeichervorrichtung 1 in das Netz des Energieversorgungsunternehmens erfolgt daher nicht.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeichervorrichtung
2: Photovoltaikmodul
3: Steuereinheit
4: Kaskadenlader
5: Zuleitung
6: Lithium-Yttrium-Akkumulator
7: Wechselrichter
8: Leitung
9: Zähler

Claims

Energiespeichervorrichtung (1) umfassend eine Anordnung einzelner Lithium-Yttrium-Akkumulatoren (6), wobei jeder Lithium-Yttrium-Akkumulator (6) an einen Kaskadenlader (4) angeschlossen ist und die Kaskadenlader (4) von einer Steuereinheit (3) gesteuert sind, so dass über die Steuereinheit (3) die Kaskadenlader (4) einzeln gesteuert werden und dadurch die Lithium-Yttrium-Akkumulatoren (6) einzeln geladen werden können.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) wenigstens einen Microcontroller sowie eine Anzeigeeinheit aufweist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kaskadenlader (4) von einem regelbaren Schaltnetzteil gebildet ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schaltnetzteil eine Schnittstelleneinheit zum Anschluss eines Lithium-Yttrium-Akkumulators (6) und zum Anschluss an die Steuereinheit (3) aufweist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laden eines Lithium-Yttrium-Akkumulators (6) das zugeordnete Schaltnetzteil Strom von einer Stromquelle entnimmt und eine Spannung generiert, die in den Lithium-Yttrium-Akkumulator (6) eingespeist wird.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Kaskadenlader (4) eine Überwachungseinheit integriert ist, mittels derer Strom und/oder die Spannung für den jeweils angeschlossenen Lithium-Yttrium-Akkumulator (6) überwacht wird.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Lithium-Yttrium-Akkumulator (6) eine Temperaturüberwachungseinheit vorgesehen ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitverhalten der Ladevorgänge der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren (6) durch die Steuereinheit (3) vorgegeben wird.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Entladevorgänge der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren (6) zur Entnahme von Energie über die Steuereinheit (3) gesteuert werden.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) programmierbar oder parametrierbar ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitverhalten der Ladevorgänge und die Entladevorgänge der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren (6) durch eine Programmierung oder Parametrierung der Steuereinheit (3) vorgegeben werden.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladevorgang eines Lithium-Yttrium-Akkumulators (6) dadurch gestartet oder beendet wird, indem von der Steuereinheit (3) ein Schaltsignal an den dem Lithium-Yttrium-Akkumulator (6) zugeordneten Kaskadenlader (4) ausgegeben wird.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Schaltsignal, mittels dessen ein Ladevorgang des Lithium-Yttrium-Akkumulators (6) beendet wird, der zugeordnete Kaskadenlader (4) in einen Stand-by-Betrieb geschaltet wird.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass, sobald ein Lithium-Yttrium-Akkumulator (6) vollständig aufgeladen ist, der zugeordneten Kaskadenlader (4) ein Meldesignal an die Steuereinheit (3) ausgibt, worauf die Steuereinheit (3) den Ladevorgang dieses Lithium-Yttrium-Akkumulators (6) beendet.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufladung der Lithium-Yttrium-Akkumulatoren (6) ein von einer Anordnung von Photovoltaikmodulen (2) generierter Strom verwendet wird.