EP2550716A2 - Erhöhung der performance und zuverlässigkeit von akkumulatorsystemen - Google Patents

Erhöhung der performance und zuverlässigkeit von akkumulatorsystemen

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Publication number
EP2550716A2
EP2550716A2 EP11714243A EP11714243A EP2550716A2 EP 2550716 A2 EP2550716 A2 EP 2550716A2 EP 11714243 A EP11714243 A EP 11714243A EP 11714243 A EP11714243 A EP 11714243A EP 2550716 A2 EP2550716 A2 EP 2550716A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy storage
energy
optimized
circuit
storage network
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11714243A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudi Kaiser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2550716A2 publication Critical patent/EP2550716A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/40—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by capacitors
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the invention relates to a circuit for controlling the delivery of electrical energy from an energy storage network with at least one
  • Energy storage an energy storage network with a parallel circuit of at least one power-optimized energy storage and a
  • accumulators are used to protect the system in a strong wind by a rotor blade adjustment against improper operating conditions.
  • the block diagram of a conventional accumulator module 40 is shown in FIG.
  • To the required performance and energy data with the Accumulator module 40 to achieve individual battery cells 42 are permanently connected in series with a battery 44 strand. That is, they are non-switchable connections. In addition, they are partially connected in parallel.
  • In addition to the accumulator 42 has the
  • Accumulator module 40 nor a so-called loading and separating device 46 which is arranged in Figure 6 by way of example between the positive pole 48 of the accumulator module 40 and the battery cells 42.
  • a disconnect switch 50 the accumulator module 40 can be switched on or off unipolar.
  • a further separating device 51 is shown in FIG. 6, with which the accumulator module 40 - if required via a second disconnecting switch 52 - can be switched off in two poles.
  • the charging and disconnecting device 46 is still a so-called charging switch 54, with which a charging resistor 56 between the battery cells 42 and the externally connected electrical load can be switched to limit the balancing currents when switching the accumulator module 40.
  • the invention therefore provides a circuit for controlling the delivery of electrical energy from an energy storage network having at least one
  • the circuit has a first switch which is provided for managing the electrical connection of the power-optimized energy store or the energy-optimized energy store with the energy storage network based on the load requirements of an electrical load connected to the energy storage network.
  • the circuit according to the invention thus allows a performance-optimized
  • Performance requirements of the consumer connected to the energy storage network can thus be optimally adjusted. Also, for example, the failure of a single energy storage does not lead to the complete failure of the entire energy storage network. The energy storage network can thus continue to be used with limited performance.
  • the basic idea of the invention is therefore a circuit for a
  • Energy storage network to create with the current energy storage networks can be expanded internally by an additional functional unit.
  • the circuit according to the invention represents a separation device.
  • Energy storage systems are constructed, which consist of several energy storage. Under an energy storage is hereinafter a single
  • Energy storage cell or more series-connected energy storage cells understood. These energy stores differ by their energy and performance characteristics. Depending on the load requirements of the consumer, the individual energy stores can thus be switched on or off suitably to the energy storage network. As a result, the performance of the energy storage system over conventional energy storage systems is significantly improved.
  • the circuit can be a
  • Limiting device for limiting an electric current through the first switch.
  • Such a limiting device represents a charging device which limits the charging or equalizing currents occurring when connecting an energy store to the energy storage network.
  • Cause of these currents are the input capacitances of or connected to the energy storage network electrical loads or the unequal states of charge of the individual energy storage, which generally do not have the same voltage before their connection, as the total voltage of the energy storage network.
  • the circuit may have a second switch for bridging the first switch and the limiting device. In this way, losses caused by the
  • the limiting means may be an electrical resistor and the second switch may be for bridging the first switch and the resistor based on a voltage drop across the resistor.
  • Resistor which is connected in series with the first switch when acting as a charging switch.
  • the equalizing currents can be limited to reliable values for the energy storage system and for the external systems. Does the voltage at the poles of the energy storage module with charger and separator almost the same
  • Disconnector in the charging and disconnecting device are closed.
  • the energy storage network then has a limited capacity for the electrical load compared to the regular operation.
  • a failure of the energy storage network or a safety-critical state of the energy storage network can be avoided.
  • the failure of the energy storage is detected and it can be initiated repair work. As a result, the reliability of the energy storage network can be significantly increased.
  • At least the first switch may be a DC / DC converter.
  • the invention also provides an energy storage network with a parallel connection of at least one power-optimized energy store and one
  • the energy storage system is provided for delivering an electrical energy to an electrical consumer.
  • the energy storage network has a first circuit connected in series with the power-optimized energy store and a second circuit connected in series with the energy-optimized energy store.
  • energy storage networks can be constructed, which consist of parallel-connected energy storage.
  • the power-optimized and / or the energy-optimized energy storage may comprise a series connection of at least two energy storage cells, for example
  • the energy storage network or the circuit according to the invention can be at least one diagnostic device for checking the functional state of the
  • the energy storage network or the circuit according to the invention a display unit for displaying the functional state of the performance-optimized and / or energy-optimized energy storage to the failure of a
  • Energy storage network are provided when the respective energy storage has reached a critical functional state to protect the relevant energy storage, for example, from further damage.
  • the critical functional condition may be in this context
  • the energy storage itself can be lead acid accumulator systems, nickel accumulator systems, lithium accumulator systems and / or
  • Double layer capacitor systems have. Accumulator systems are usually suitable for receiving and emitting energy in an energy-optimized manner, while capacitor systems are more capable of receiving and emitting electrical energy in a performance-oriented manner.
  • a third circuit according to the invention for managing the connection of the power grid to the electrical load.
  • the individual circuits according to the invention which are provided for connecting and disconnecting the individual energy stores within the energy storage network when connecting the energy storage network to an electrical load with a single limiting circuit can be connected to this, which not only the cost of the individual limiting circuits in the branches of
  • Energy storage network saves, the energy storage network also consumes less space.
  • the invention also provides a method for controlling the delivery of electrical energy from an energy storage network having at least one performance-optimized energy storage and an energy-optimized
  • Figure 1 shows a circuit according to the invention according to a first
  • Figure 2 shows a circuit according to the invention according to a second
  • FIG. 3 shows an energy storage network according to a third exemplary embodiment with circuits according to the invention
  • FIG. 4 shows an energy storage network according to a fourth exemplary embodiment with circuits according to the invention
  • Figure 5 shows a circuit according to the invention according to a fifth
  • FIG. 6 shows an energy storage network according to the prior art.
  • Lauber / Göhner, Process Automation 1, 3rd edition, Springer-Verlag is the reliability (reliability) of a system's ability to work error-free for a given time. This is sometimes too
  • the performance of an energy storage network can be significantly increased if the individual energy stores are switched on or off at a suitable load time of the electrical load.
  • the reliability of conventional energy storage networks can be significantly increased if the failure of a single energy storage does not directly lead to failure of the entire energy storage network.
  • an energy storage network is expanded internally compared to conventional energy storage networks by at least one additional circuit according to the invention as functional units, which will first be described below.
  • Figure 1 shows a circuit according to the invention according to a first
  • Separator 2 constructed with a circuit breaker 3 and serves to an energy storage 4, the in Figure 1 as a series circuit of several
  • Energy storage cells 6 is shown, unipolar from one of its two poles 8, 10 turn off or bind low impedance to the corresponding pole 8.
  • two separation devices 2 can also be used. It makes sense that these are directly on the positive pole 8 and directly on the
  • Negative pole 10 of the energy storage device 4 is arranged. Further, at least one signal line 12 for controlling and diagnosing the individual
  • Function units 2, 4 may be provided, the results to a
  • Control and / or display unit 14 forwards.
  • the basic principle of the present invention is independent of the concrete
  • Figure 2 shows a circuit according to the invention according to a second
  • FIG. 2 elements from FIG. 1 which fulfill the same function are provided with the same reference numerals.
  • Separating device 16 which represents the functional extension of the separator 2 of Figure 1 to a charging device, and when connecting the
  • Equalizing currents 17 limited. Cause of these currents 17 are the
  • Equalizing currents 17 takes place in the simplest case via a resistor 18, which is connected in series with the disconnecting switch 3 acting here as a charging switch.
  • This resistor and / or the switch 3 can also be designed as a DC / DC converter.
  • Compensating currents 17 are limited to reliable values for the energy storage network and for the electrical loads connected to the energy storage network. Does the voltage 22 at the poles of the energy storage device 4 with charging and disconnecting device 16 almost the same voltage as the total voltage 24 of the energy storage system, which means that the
  • Charging switch 3 connected in series resistor 18 are bridged by a further disconnector 20 in the charging and disconnecting device 16.
  • the charging switch 3 can now be opened.
  • connection process of an energy storage 4 to an energy storage network thus proceeds as follows. First, with the circuit breaker 20 open the Charging switch 3 of the charging and disconnecting device 16 is closed. The capacity of the electrical load or the already connected energy storage are then up or reloaded until the voltage at the poles 28, 30 of the overall arrangement corresponds approximately to the voltage of the other energy storage in the energy storage network. Then the
  • Disconnector 20 is closed and the charging completed.
  • Energy storage cells 6 of the energy storage 4 are then connected to the low-resistance poles 28,30 of the energy storage network.
  • the basic principle of the present invention is independent of the concrete
  • electromechanical switch such as a relay or a contactor
  • electronic switch such as a semiconductor switch or a combination of electromechanical and electronic switch into consideration.
  • energy storage modules can be connected in parallel
  • Energy storage cells 4 are constructed. Depending on the requirements of the energy storage network, the use of different topologies for the energy storage module may be useful.
  • An energy storage module 32 with a separator 2 as shown in FIG. 1 can be used to switch off the energy storage cells 6 in one pole from one of the two poles 28, 30 of the energy storage module 32
  • the separator 2 can
  • An energy storage module 34 with a charging and a separating device 16, as shown in Figure 2 can be used in relation to the energy storage module 32 of Figure 1 to the charging or equalizing currents 17 at
  • FIG. 3 shows a first topology 36 for an energy storage network with the energy storage modules 32, 34 described above.
  • Energy storage modules 32 are interconnected according to the topology of Figure 1. This has the advantage that different energy storage 4 with
  • Energy storage network is active. However, the energy storage network of this topology is exposed to increased voltage fluctuations and equalizing currents 17, since no charging devices 3, 18 at the individual
  • Energy storage modules 32 are provided.
  • FIG. 4 shows a second topology 38 for an energy storage network with the energy storage modules 32, 34 described above.
  • a plurality of energy storage modules 34 are interconnected according to the topology of FIG. 2 or 5. This has the advantage that different energy storage modules 34 with different energy and performance characteristics can be used. Compared to the above topology 36 from FIG. 3, fewer are now also occurring
  • Energy storage module 34 has its own loading and separating device 16. However, here is a higher overhead for the charging device 3, 18 or DC / DC converter 39 in each energy storage module 34 necessary, resulting in higher costs and a larger installation space of the entire
  • Energy storage network reflects. For all previously described energy storage networks, that in case of failure or
  • Performance loss of one or more energy storage modules 32, 34, the affected energy storage module 34 after opening the circuit breaker 3, 20 or switching off the DC / DC converter 39 can be switched off permanently from the energy storage network.
  • the energy storage network is then available
  • the energy storage network can be optimally adapted to the external requirements of the connected to the energy storage network electrical loads and thus the performance of
  • Energy storage network can be significantly improved.
  • Figure 5 shows a circuit according to the invention according to a fifth
  • FIG. 5 elements from FIGS. 1 and 2 which fulfill the same functions are provided with the same reference numerals.
  • the circuit of the invention may be a DC / DC converter, which represents the functional extension of the charging and disconnecting device 16 of Figure 2, and allows a continuous voltage adjustment of the energy storage device 4 with respect to the final energy storage network.
  • the DC / DC converter 39 allows the use of different energy stores 4, the different
  • the DC / DC converter ensures a voltage adjustment so that all energy storage modules have the same voltage 22 in the energy storage network and none
  • Equalizing currents 17 between the energy storage modules 34 comes.
  • the DC / DC converter 39 allows for each energy store 4 an individual operation that does not affect the voltage 22.
  • the performance of the energy storage network can be increased.

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Abstract

Offenbart wird eine Schaltung zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz (36, 38) mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher (4) und einem energieoptimierten Energiespeicher (4). Erfindungsgemäß weist die Schaltung (2, 16) einen ersten Schalter (3) auf, der zum Verwalten der elektrischen Verbindung des leistungsoptimierten Energiespeichers (4) oder des energieoptimierten Energiespeichers (4) mit dem Energiespeichernetz (36, 38) basierend auf den Lastanforderungen eines an das Energiespeichernetz (36, 38) angeschlossenen elektrischen Verbrauchers vorgesehen ist.

Description

Beschreibung
Titel
Erhöhung der Performance und Zuverlässigkeit von Akkumulatorsystemen Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz mit wenigstens einem
leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten
Energiespeicher, ein Energiespeichernetz mit einer Parallelschaltung aus wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem
energieoptimierten Energiespeicher und ein Verfahren zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten
Energiespeicher.
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen wie zum Beispiel Windkraftanlagen als auch in Fahrzeugen wie zum Beispiel Hybridoder Elektrofahrzeuge vermehrt neue Akkumulatorsysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zyklisierung, Lebensdauer,
Verfügbarkeit und Performance gestellt werden. Hintergrund dieser hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall oder Performanceverlust des Akkumulators zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann. Beispielsweise führt bei einem Elektrofahrzeug ein Ausfall der Traktionsbatterie zu einem sogenannten "Liegenbleiber". Dies kann sogar zu sicherheitsrelevanten Problemen führen.
Beispielsweise werden bei Windkraftanlagen Akkumulatoren eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen. Das Prinzipschaltbild eines herkömmlichen Akkumulatormoduls 40 ist in Figur 6 dargestellt. Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Akkumulatormoduls 40 zu erzielen, werden einzelne Akkumulatorzellen 42 permanent in Serie zu einem Akkumulatorstrang 44 geschaltet. Das heißt, es handelt sich um nicht schaltbare Verbindungen. Zusätzlich werden sie teilweise parallel geschaltet. Neben den Akkumulatorzellen 42 weist das
Akkumulatormodul 40 noch eine sogenannte Lade- und Trenneinrichtung 46, die in Figur 6 beispielhaft zwischen dem Pluspol 48 des Akkumulatormoduls 40 und den Akkumulatorzellen 42 angeordnet ist. Mit einem Trennschalter 50 kann das Akkumulatormodul 40 einpolig zu- beziehungsweise abgeschaltet werden. Als optionale Funktionseinheit ist in Figur 6 noch eine weitere Trenneinrichtung 51 dargestellt, mit der das Akkumulatormodul 40 - falls gefordert über einen zweiten Trennschalter 52 - zweipolig abgeschaltet werden kann. In der Lade- und Trenneinrichtung 46 befindet sich noch ein sogenannter Ladeschalter 54, mit dem ein Ladewiderstand 56 zwischen die Akkumulatorzellen 42 und die extern angeschlossenen elektrischen Verbraucher geschaltet werden kann, um die Ausgleichsströme beim Zuschalten des Akkumulatormoduls 40 zu begrenzen.
Nach dem heutigen Stand der Technik sind alle elektrischen Energiespeicher, wie zum Beispiel Blei-Säure-Akkumulatorsysteme, Ni-Akkumulatorsysteme, Li- Akkumulatorsysteme, Doppelschichtkondensatoren entweder für einen hohen Leistungs- oder hohen Energiebedarf ausgelegt. Elektrische Energiespeicher, die beide Anforderungen in gleichem Umfang erfüllen, sind zur Zeit nicht verfügbar. Derartige Energiespeicher wären beispielsweise für Traktionsanwendungen, wie in Elektrofahrzeugen, vorteilhaft, wo eine hohe Leistungsfähigkeit für den Beschleunigungsvorgang und eine hohe Energiemenge zum Fahren über weite Distanzen gefordert wird. Wird ein Energiespeicher, der beispielsweise für hohe Energiemengen ausgelegt ist, dennoch bei hohen Leistungen betrieben, nimmt seine Lebensdauer sehr stark ab.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten
Energiespeicher anzugeben, mit der die Performance und Zuverlässigkeit von Energiespeichernetzen gegenüber heutigen Energiespeichernetzen deutlich erhöht werden kann. Die Erfindung gibt daher eine Schaltung zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz mit wenigstens einem
leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten
Energiespeicher an. Erfindungsgemäß weist die Schaltung einen ersten Schalter auf, der zum Verwalten der elektrischen Verbindung des leistungsoptimierten Energiespeichers oder des energieoptimierten Energiespeichers mit dem Energiespeichernetz basierend auf den Lastanforderungen eines an das Energiespeichernetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchers vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt es somit einen leistungsoptimierten
Energiespeicher und einen energieoptimierten Energiespeicher zusammen in einem einzigen Energiespeichernetz zusammen arbeiten zu lassen. Die
Performanceanforderungen des an das Energiespeichernetz angeschlossenen Verbrauchers kann damit optimal abgestimmt werden. Auch führt beispielsweise der Ausfall eines einzelnen Energiespeichers nicht zum vollständigen Ausfall des gesamten Energiespeichernetzes. Das Energiespeichernetz kann somit noch mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit weiter verwendet werden.
Grundgedanke der Erfindung ist es somit, eine Schaltung für ein
Energiespeichernetz zu schaffen, mit der heutige Energiespeichernetze intern um eine zusätzliche Funktionseinheit erweitert werden können. Die
erfindungsgemäße Schaltung stellt dabei eine Trenneinrichtung dar. Auf Basis dieser Schaltung können neuartige Energiespeichernetze oder
Energiespeichersysteme aufgebaut werden, die aus mehreren Energiespeichern bestehen. Unter einem Energiespeicher wird im Weiteren eine einzelne
Energiespeicherzelle oder mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen verstanden. Diese Energiespeicher unterscheiden sich durch ihre Energie- bzw. Leistungscharakteristik. Je nach Lastanforderungen des Verbrauchers können die einzelnen Energiespeicher somit geeignet zum Energiespeichernetz zu- oder abgeschaltet. Dadurch wird die Performance des Energiespeichersystems gegenüber herkömmlichen Energiespeichersystemen wesentlich verbessert.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer besonderen Ausführung kann die Schaltung eine
Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung eines elektrischen Stroms durch den ersten Schalter aufweisen. Eine derartige Begrenzungseinrichtung stellt eine Ladeeinrichtung dar, welche die beim Zuschalten eines Energiespeichers an das Energiespeichernetz auftretenden Lade- beziehungsweise Ausgleichsströme begrenzt. Ursache für diese Ströme sind die Eingangskapazitäten des oder der mit dem Energiespeichernetz verbundenen elektrischen Verbraucher beziehungsweise die ungleichen Ladezustände der einzelnen Energiespeicher, welche im Allgemeinen vor ihrem Zuschalten nicht die selbe Spannung aufweisen, wie die Gesamtspannung des Energiespeichernetzes. In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Schaltung einen zweiten Schalter zum Überbrücken des ersten Schalters und der Begrenzungseinrichtung aufweisen. Auf diese Weise werden Verlustleistungen, die durch die
Begrenzungseinrichtungen auftreten im Arbeitspunkt des Gesamtsystems vermieden.
In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführung der Erfindung kann die Begrenzungseinrichtung ein elektrischer Widerstand und der zweite Schalter zum Überbrücken des ersten Schalters und des Widerstandes, basierend auf einem Spannungsabfall am Widerstand, vorgesehen sein. Damit erfolgt die Begrenzung der Lade- beziehungsweise Ausgleichsströme im einfachsten Fall über einen
Widerstand, welcher dem ersten Schalter, wenn er als Ladeschalter arbeitet, in Serie geschaltet ist. Durch geeignete Wahl des Widerstandswertes können die Ausgleichsströme auf zuverlässige Werte für das Energiespeichersystem und für die externen Systeme begrenzt werden. Weist die Spannung an den Polen des Energiespeichermoduls mit Lade- und Trenneinrichtung nahezu die selbe
Spannung auf, wie die Gesamtspannung des Energiespeichersystems, was heißt, dass der Spannungsabfall am Lastwiderstand gering ist, kann der
Trennschalter in der Lade- und Trenneinrichtung geschlossen werden. In einer anderen oder zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung kann die
Schaltung Signalleitungen zur Steuerung und Diagnose der Funktionseinheiten für wenigstens einen der Energiespeicher aufweisen. Dies schafft zusätzliche Überwachungsmittel, die es erlauben, beim Ausfall eines oder mehrerer
Energiespeicher diese abzuschalten. Das Energiespeichernetz weist dann zwar eine für den elektrischen Verbraucher eingeschränkte Leistungsfähigkeit gegenüber dem regulären Betrieb auf. Bei geeigneter Auslegung des Energiespeichernetzes kann aber ein Ausfall des Energiespeichernetzes beziehungsweise ein sicherheitskritischer Zustand des Energiespeichernetzes vermieden werden. Darüber hinaus wird der Ausfall des Energiespeichers erkannt und es können Reparaturmaßnahmen eingeleitet werden. Dadurch kann Zuverlässigkeit des Energiespeichernetzes deutlich erhöht werden.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung kann wenigstens der erste Schalter ein DC/DC-Wandler sein.
Die Erfindung gibt auch ein Energiespeichernetz mit einer Parallelschaltung aus wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem
energieoptimierten Energiespeicher an. Dabei ist das Energiespeichersystem zur Abgabe einer elektrischen Energie an einen elektrischen Verbraucher vorgesehen. Erfindungsgemäß weist das Energiespeichernetz eine erste zum leistungsoptimierten Energiespeicher in Reihe geschaltete erfindungsgemäße Schaltung und eine zweite zum energieoptimierten Energiespeicher in Reihe geschaltete erfindungsgemäße Schaltung auf. Auf Basis der erfindungsgemäßen Schaltung können somit Energiespeichemetze aufgebaut werden, die aus parallel verschalteten Energiespeichern bestehen. Diese Energiespeichernetze weisen gegenüber herkömmlichen Energiespeichernetzen aufgrund ihrer Fähigkeit trotz defekter Energiespeicher innerhalb ihres Netzes trotzdem weiter elektrische Energie zu liefern eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit auf.
In einer besonderen Ausführung der Erfindung kann der leistungsoptimierte und/oder der energieoptimierte Energiespeicher eine Reihenschaltung aus wenigstens zwei Energiespeicherzellen aufweisen, um beispielsweise
Hochvoltbatterien bereitzustellen.
In einer zusätzlichen oder anderen Weiterbildung der Erfindung kann das Energiespeichemetz oder die erfindungsgemäße Schaltung wenigstens eine Diagnoseeinrichtung zum Überprüfen des Funktionszustandes des
leistungsoptimierten und/oder energieoptimierten Energiespeichers aufweisen.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführung der Erfindung kann das Energiespeichernetz oder die erfindungsgemäße Schaltung eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen des Funktionszustandes des leistungsoptimierten und/oder energieoptimierten Energiespeichers aufweisen, um den Ausfall eines
Energiespeichers zu erkennen und Reparaturmaßnahmen einzuleiten.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung können die erste und zweite erfindungsgemäßen Schaltungen entsprechend zum Trennen des
leistungsoptimierten und energieoptimierten Energiespeichers vom
Energiespeichernetz vorgesehen sind, wenn der jeweilige Energiespeicher einen kritischen Funktionszustand erreicht hat, um den betreffenden Energiespeicher beispielsweise vor weiterer Beschädigung zu schützen.
Der kritische Funktionszustand kann in diesem Zusammenhang ein
Performanceverlust oder ein Ausfall des jeweiligen Energiespeichers sein.
Die Energiespeicher selbst können Blei-Säure-Akkumulatorsysteme, Nickel- Akkumulatorsysteme, Lithium-Akkumulatorsysteme und/oder
Doppelschichtkondensatorsysteme aufweisen. Akkumulatorsysteme sind meist geeignet, elektrische Energie energieoptimiert aufzunehmen und abzugeben, während Kondensatorsysteme eher in der Lage sind, elektrische Energie leistungsorientiert aufzunehmen und abzugeben.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann eine dritte erfindungsgemäße Schaltung zum Verwalten der Verbindung des Energienetzes zum elektrischen Verbraucher.
Dabei kann die dritte Schaltung zum gemeinsamen Laden der beiden
Energiespeicher vorgesehen sein. So können die einzelnen erfindungsgemäßen Schaltungen, die zum Anschließen und Trennen der einzelnen Energiespeicher innerhalb des Energiespeichernetzes vorgesehen sind beim Anschließen des Energiespeichernetzes an einen elektrischen Verbraucher mit einer einzigen Begrenzungsschaltung an diesen angeschlossen werden, was nicht nur die Kosten für die einzelnen Begrenzungsschaltungen in den Zweigen des
Energiespeichernetzes spart, das Energiespeichernetz verbraucht auch weniger Platz.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten
Energiespeicher an. Erfindungsgemäß wird die elektrische Verbindung zwischen dem leistungsoptimierten Energiespeicher oder dem energieoptimierten
Energiespeichers und dem Energiespeichernetz basierend auf den
Lastanforderungen eines an das Energiespeichernetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchers verwaltet.
Zeichnungen
Nachfolgend werden nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 3 ein Energiespeichernetz gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel mit erfindungsgemäßen Schaltungen;
Figur 4 ein Energiespeichernetz gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel mit erfindungsgemäßen Schaltungen;
Figur 5 eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem fünften
Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Figur 6 ein Energiespeichernetz gemäß dem Stand der Technik.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. Bevor die Erfindung detailliert beschrieben wird, soll zunächst der Begriff Zuverlässigkeit im hier verwendeten Sinn definiert werden. Gemäß
Lauber/Göhner, Prozessautomatisierung 1 , 3. Auflage, Springer-Verlag versteht man unter der Zuverlässigkeit (engl, reliability) die Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit fehlerfrei zu arbeiten. Dies wird manchmal auch
Verlässlichkeit genannt.
Erfindungsgemäß kann die Performance eines Energiespeichernetzes deutlich erhöht werden, wenn die einzelnen Energiespeicher zu einem geeigneten Lastzeitpunkt des elektrischen Verbrauchers zu- beziehungsweise abgeschaltet werden. Die Zuverlässigkeit von herkömmlichen Energiespeichernetzen kann deutlich erhöht werden, wenn der Ausfall eines einzelnen Energiespeichers nicht unmittelbar zum Ausfall des gesamten Energiespeichernetzes führt. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Energiespeichernetz gegenüber herkömmlichen Energiespeichernetzen intern um wenigstens eine erfindungsgemäße zusätzliche Schaltung als Funktionseinheiten erweitert, die im Folgenden zunächst beschrieben werden.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Im ersten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Schaltung als
Trenneinrichtung 2 mit einem Trennschalters 3 aufgebaut und dient dazu, das einen Energiespeicher 4, der in Figur 1 als Reihenschaltung mehrerer
Energiespeicherzellen 6 dargestellt ist, einpolig von einem seiner beiden Pole 8, 10 abzuschalten beziehungsweise niederohmig an den entsprechenden Pol 8 anzubinden. Für eine zweipolige Abschaltung des Energiespeichers 4 können auch zwei erfindungsgemäße Trenneinrichtungen 2 zum Einsatz kommen. Sinnvollerweise sind diese direkt am Pluspol 8 und direkt am
Minuspol 10 des Energiespeichers 4 angeordnet. Weiter kann wenigstens eine Signalleitung 12 zur Steuerung und Diagnose der einzelnen
Funktionseinheiten 2, 4 vorgesehen sein, die ihre Ergebnisse an eine
Steuerungs- und/oder Anzeigeeinheit 14 weiterleitet. Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung ist unabhängig von der konkreten
Realisierung des Trennschalters 3 in der Trenneinrichtung 2, für den unter anderem die Realisierung als elektromechanischer Schalter, wie beispielsweise ein Relais oder ein Schütz, als elektronischer Schalter, wie beispielsweise ein Halbleiterschalter oder eine Kombination aus elektromechanischem und elektronischem Schalter in Betracht kommen.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Figur 2 sind Elemente aus Figur 1 , die die gleiche Funktion erfüllen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Danach kann die erfindungsgemäße Schaltung eine Lade- und
Trenneinrichtung 16 sein, die die funktionale Erweiterung der Trenneinrichtung 2 aus Figur 1 um eine Ladeeinrichtung darstellt, und beim Zuschalten des
Energiespeichers 4 die auftretenden Lade- beziehungsweise
Ausgleichsströme 17 begrenzt. Ursache für diese Ströme 17 sind die
Eingangskapazitäten der elektrischen Verbraucher als externe Systeme beziehungsweise die ungleichen Ladezustände der Energiespeicher 4, welche im Allgemeinen vor Zuschalten des Energiespeichers 4 nicht die selbe Spannung aufweisen, wie die Gesamtspannung des schlussendlichen
Energiespeichemetzes. Die Begrenzung der Lade- beziehungsweise
Ausgleichsströme 17 erfolgt im einfachsten Fall über einen Widerstand 18, welcher dem hier als Ladeschalter fungierenden Trennschalter 3 in Serie geschaltet ist. Dieser Widerstand und/oder der Schalter 3 kann auch als DC/DC- Wandler ausgeführt werden. Durch eine geeignete Wahl des Widerstandswertes oder eine geeignete Aussteuerung des DC/DC-Wandlers können die
Ausgleichsströme 17 auf zuverlässige Werte für das Energiespeichernetz und für die an das Energiespeichernetz angeschlossenen elektrischen Verbraucher begrenzt werden. Weist die Spannung 22 an den Polen des Energiespeichers 4 mit Lade- und Trenneinrichtung 16 nahezu die selbe Spannung auf, wie die Gesamtspannung 24 des Energiespeichersystems, was heißt, dass der
Spannungsabfall 26 am Lastwiderstand 18 gering ist, kann der mit dem
Ladeschalter 3 in Reihe geschaltete Widerstand 18 durch einen weiteren Trennschalter 20 in der Lade- und Trenneinrichtung 16 überbrückt werden.
Optional kann der Ladeschalter 3 nun geöffnet werden.
Der Zuschaltvorgang eines Energiespeichers 4 zu einem Energiespeichernetz läuft somit wie folgt ab. Zunächst wird bei geöffnetem Trennschalter 20 der Ladeschalter 3 der Lade- und Trenneinrichtung 16 geschlossen. Die Kapazitäten des elektrischen Verbrauchers beziehungsweise der bereits zugeschalteten Energiespeicher werden daraufhin auf- beziehungsweise umgeladen, bis die Spannung an den Polen 28, 30 der Gesamtanordnung in etwa der Spannung der anderen Energiespeicher im Energiespeichernetz entspricht. Dann wird der
Trennschalter 20 geschlossen und der Ladevorgang abgeschlossen. Die
Energiespeicherzellen 6 des Energiespeichers 4 sind dann niederohmig mit den Polen 28,30 des Energiespeichernetzes verbunden. Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung ist unabhängig von der konkreten
Realisierung der Ladeschalter 3 und Trennschalter 20 in der Lade- und
Trenneinrichtung 16, für den unter anderem die Realisierung als
elektromechanischer Schalter, wie beispielsweise ein Relais oder ein Schütz, als elektronischer Schalter, wie beispielsweise ein Halbleiterschalter oder eine Kombination aus elektromechanischem und elektronischem Schalter in Betracht kommen.
Auf Basis der beschriebenen Schaltungen 2, 16 und 39 als Funktionseinheiten können Energiespeichermodule mit parallel verschalteten
Energiespeicherzellen 4 aufgebaut werden. Abhängig von den Anforderungen an das Energiespeichernetz, kann der Einsatz verschiedener Topologien für das Energiespeichermodul sinnvoll sein.
Ein Energiespeichermodul 32 mit einer Trenneinrichtung 2 wie in Figur 1 gezeigt kann eingesetzt werden, um die Energiespeicherzellen 6 einpolig von einem der beiden Pole 28, 30 des Energiespeichermoduls 32 abzuschalten
beziehungsweise die Energiespeicherzellen 6 niederohmig an den
entsprechenden Pol 8, 10 anzubinden. Die Trenneinrichtung 2 kann
beispielsweise, wie in Figur 4 gezeigt, am Pluspol 8 angeordnet sein. Beim Ausfall oder Performanceverlust einer oder mehrerer Energiespeicherzellen 6 kann die Trenneinrichtung 2 die Energiespeicherzellen 6 dauerhaft abschalten.
Ein Energiespeichermodul 34 mit einer Lade- und einer Trenneinrichtung 16, wie in Figur 2 gezeigt, kann gegenüber dem Energiespeichermodul 32 aus Figur 1 eingesetzt werden, um die Lade- beziehungsweise Ausgleichsströme 17 beim
Zuschalten an das Energiespeichernetz zu begrenzen. Im Übrigen entspricht die Topologie des Energiespeichermoduls 34 der Topologie des Energiespeichermoduls 32 aus Figur 1.
Mit den beschriebenen Energiespeichermodulen 32, 34 können modulare Energiespeichernetze aufgebaut werden, die gegenüber herkömmlichen Energiespeichernetzen eine deutliche höhere Zuverlässigkeit aufweisen. Als Beispiele für die Verschaltung der beschriebenen Energiespeichermodule 32, 34 sollen zwei Energiespeichernetze mit unterschiedlichen Topologien betrachtet werden.
In Figur 3 ist eine erste Topologie 36 für ein Energiespeichernetz mit den zuvor beschriebenen Energiespeichermodulen 32, 34 gezeigt.
In dieser ersten Topologie 36 ist im Energiespeichernetz eine separate Lade- und Trenneinrichtung 16 aus Figur 2 vorgesehen, wobei die einzelnen
Energiespeichermodule 32 gemäß der Topologie aus Figur 1 verschaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Energiespeicher 4 mit
unterschiedlichen Energie- und Leistungscharakteristiken in den einzelnen Energiespeichermodulen 32 eingesetzt werden können. Auch ist insgesamt nur eine einzige Ladeeinrichtung 3, 18 notwendig, die beim Zuschalten zum
Energiespeichernetz aktiv wird. Jedoch ist das Energiespeichernetz dieser Topologie erhöhten Spannungsschwankungen und Ausgleichsströmen 17 ausgesetzt, da keine Ladeeinrichtungen 3, 18 an den einzelnen
Energiespeichermodulen 32 vorgesehen sind.
In Figur 4 ist eine zweite Topologie 38 für ein Energiespeichernetz mit den zuvor beschriebenen Energiespeichermodulen 32, 34 gezeigt.
In dieser zweiten Topologie sind mehrere Energiespeichermodule 34 gemäß der Topologie aus Figur 2 oder 5 miteinander verschaltet. Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Energiespeichermodule 34 mit unterschiedlichen Energie- und Leistungscharakteristiken eingesetzt werden können. Gegenüber der vorstehenden Topologie 36 aus Figur 3 treten nun auch weniger
Spannungsschwankungen und Ausgleichsströme 17 auf, da jedes
Energiespeichermodul 34 eine eigene Lade- und Trenneinrichtung 16 aufweist. Jedoch ist hier ein höherer Zusatzaufwand für die Ladeeinrichtung 3, 18 oder die DC/DC-Wandler 39 in jedem Energiespeichermodul 34 notwendig, was sich in höheren Kosten und einem größeren Bauraum des gesamten
Energiespeichernetzes widerspiegelt. Für alle zuvor beschriebenen Energiespeichernetze gilt, dass bei Ausfall oder
Performanceverlust eines oder mehrerer Energiespeichermodule 32, 34 das betroffene Energiespeichermodul 34 nach Öffnen des Trennschalters 3, 20 oder Abschalten des DC/DC-Wandlers 39 permanent vom Energiespeichernetz abgeschaltet werden kann. Das Energiespeichernetz steht dann mit
eingeschränkter Leistungsfähigkeit weiterhin zur Verfügung. Abhängig von der
Anzahl der Energiespeichermodule 32, 34 des Energiespeichernetzes und der Anzahl von Energiespeichermodulen 32, 34 mit unterschiedlicher Energie- und Leistungscharakteristik, kann das Energiespeichernetz optimal auf die externen Anforderungen der an das Energiespeichernetz angeschlossenen elektrischen Verbraucher abgestimmt werden und damit die Performance des
Energiespeichernetzes entscheidend verbessert werden.
Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem fünften
Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Figur 5 sind Elemente aus Figur 1 und 2, die die gleiche Funktionen erfüllen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Danach kann die erfindungsgemäße Schaltung ein DC/DC-Wandler sein, der die funktionale Erweiterung der Lade- und Trenneinrichtung 16 aus Figur 2 darstellt, und ein stufenlose Spannungsanpassung des Energiespeichers 4 gegenüber des schlussendlichen Energiespeichernetzes zulässt. Der DC/DC-Wandler 39 erlaubt die Nutzung von verschiedenen Energiespeichern 4, die unterschiedliche
Spannungen 24 untereinander aufweisen. Der DC/DC-Wandler sorgt dabei für eine Spannungsanpassung, sodass alle Energiespeichermodule die gleiche Spannung 22 im Energiespeichernetz aufweisen und es zu keinen
Ausgleichströmen 17 zwischen den Energiespeichermodulen 34 kommt.
Gleichzeitig erlaubt der DC/DC-Wandler 39 für jeden Energiespeicher 4 eine individuelle Betriebsführung, die die Spannung 22 nicht beeinflusst.
Erfindungsgemäß kann durch einen Schalter, der basierend auf den
Lastanforderungen eines an ein Energiespeichernetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchers zum Verwalten einer elektrischen Verbindung zwischen einem leistungsoptimierten Energiespeicher oder einen energieoptimierten Energiespeicher mit dem Energiespeichernetz vorgesehen ist, die Performance des Energiespeichernetzes gesteigert werden.
Neben der obigen Offenbarung wird hier ausdrücklich auf die Offenbarung der Figuren verwiesen.

Claims

Ansprüche
1. Schaltung zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem
Energiespeichernetz (36, 38) mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher (4) und einem energieoptimierten Energiespeicher (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (2, 16) einen ersten
Schalter (3) aufweist, der zum Verwalten der elektrischen Verbindung des leistungsoptimierten Energiespeichers (4) oder des energieoptimierten Energiespeichers (4) mit dem Energiespeichernetz (36, 38) basierend auf den Lastanforderungen eines an das Energiespeichernetz (36, 38) angeschlossenen elektrischen Verbrauchers vorgesehen ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1 , wobei die Schaltung (16) eine
Begrenzungseinrichtung (18) zur Begrenzung eines elektrischen
Stroms (17) durch den ersten Schalter (3) aufweist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Schaltung (16) einen zweiten
Schalter (20) zum Überbrücken des ersten Schalters (3) und der
Begrenzungseinrichtung (18) aufweist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Begrenzungseinrichtung (18) ein elektrischer Widerstand ist, und der zweite Schalter (20) zum Überbrücken des ersten Schalters (3) und des Widerstandes basierend auf einem Spannungsabfall (26) am Widerstand vorgesehen ist.
5. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
Schaltung (2, 16) Signalleitungen (12) zur Steuerung und Diagnose der Funktionseinheiten (2, 16) für wenigstens einen der Energiespeicher (4) aufweist.
6. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Schalter (3) ein DC/DC-Wandler ist.
7. Energiespeichernetz mit einer Parallelschaltung aus wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher (4) und einem energieoptimierten Energiespeicher (4), wobei das Energiespeichernetz (36, 38) zur Abgabe einer elektrischen Energie an einen elektrischen Verbraucher vorgesehen ist und eine erste zum leistungsoptimierten Energiespeicher (4) in Reihe geschaltete Schaltung (2,16) nach einem der vorstehenden Ansprüche und eine zweite zum energieoptimierten Energiespeicher (4) in Reihe geschaltete Schaltung (2, 16) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
8. Energiespeichernetz nach Anspruch 7, wobei der leistungsoptimierte
und/oder der energieoptimierte Energiespeicher (4) eine Reihenschaltung aus wenigstens zwei Energiespeicherzellen (6) aufweist.
9. Energiespeichernetz nach Anspruch 7 oder 8 mit wenigstens einer
Diagnoseeinrichtung zum Überprüfen des Funktionszustandes des leistungsoptimierten und/oder energieoptimierten Energiespeichers (4).
10. Energiespeichernetz nach einem der Ansprüche 7 bis 9 mit einer
Anzeigeeinheit (14) zum Anzeigen des Funktionszustandes des leistungsoptimierten und/oder energieoptimierten Energiespeichers (4).
1 1. Energiespeichernetz nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die erste und zweite Schaltung (2, 16) entsprechend zum Trennen des
leistungsoptimierten und energieoptimierten Energiespeichers (4) vom Energiespeichernetz (36, 38) vorgesehen sind, wenn der jeweilige
Energiespeicher (4) einen kritischen Funktionszustand erreicht hat.
12. Energiespeichernetz nach Anspruch 11 , wobei der kritische
Funktionszustand ein Performanceverlust oder ein Ausfall des jeweiligen Energiespeichers (4) ist.
13. Energiespeichernetz nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die
Energiespeicher (4) Blei-Säure-Akkumulatorsysteme, Nickel- Akkumulatorsysteme, Lithium-Akkumulatorsysteme und/oder
Doppelschichtkondensatorsysteme aufweisen.
14. Energiespeichernetz nach einem der Ansprüche 7 bis 13 mit einer dritten Schaltung (2, 16) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Verwalten der Verbindung des Energiespeichernetzes (36,38) zum elektrischen
Verbraucher.
15. Energiespeichernetz nach Anspruch 14, wobei die dritte Schaltung (2, 16) zum gemeinsamen Laden der beiden Energiespeicher (4) vorgesehen ist.
16. Verfahren zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem
Energiespeichernetz (36, 38) mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher (4) und einem energieoptimierten Energiespeicher (4), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem leistungsoptimierten Energiespeicher (4) oder dem energieoptimierten Energiespeicher (4) und dem Energiespeichernetz (36, 38) basierend auf den Lastanforderungen eines an das Energiespeichernetz (36, 38) angeschlossenen elektrischen Verbrauchers verwaltet wird.
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