EP3027462A1 - Energiespeicheranordnung, energiespeichersystem und verfahren für das betreiben einer energiespeicheranordnung - Google Patents

Energiespeicheranordnung, energiespeichersystem und verfahren für das betreiben einer energiespeicheranordnung

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EP3027462A1
EP3027462A1 EP14759160.6A EP14759160A EP3027462A1 EP 3027462 A1 EP3027462 A1 EP 3027462A1 EP 14759160 A EP14759160 A EP 14759160A EP 3027462 A1 EP3027462 A1 EP 3027462A1
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EP
European Patent Office
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energy storage
energy
store
storage arrangement
converter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14759160.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Fischperer
Michael Meinert
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Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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Definitions

  • Energy storage device energy storage system and method for operating an energy storage device
  • the present invention relates to an energy storage device having an energy store, which can be connected via a buck converter and a throttle device to an electrical power supply, and with a boost converter. Furthermore, the invention relates to an energy storage system with a plurality of energy storage arrangements mentioned above and a method for operating an energy storage device. Electrically operated vehicles, such as Rail vehicles such as trams are often equipped with energy storage. The energy storage are used to electrically store braking energy during braking and later use again for driving. In addition, the energy storage allows a catenary driving the rail vehicles and thus the self-sufficient use of rail vehicles without an external electrical power supply.
  • the invention proposes according to claim 1, an energy storage device having an energy storage, which is connectable via a buck converter and a throttle device to an electrical power supply, and with a boost converter, wherein the boost converter is arranged parallel to the energy storage and the buck converter and the Energy storage is suitable to be charged to a higher voltage level than the voltage level of the electrical power supply.
  • the boost converter serves to charge the energy store with the lower voltage provided by the electrical power supply, while the step-down converter serves to discharge the energy store.
  • the boost converter generates according to its timing when switching a short circuit to the electrical power supply, the resulting current is limited by the throttle device.
  • the throttle device maintains the current flow and diverts the current via the free-wheeling diode of the buck-converter into the energy store.
  • the energy storage arrangement makes it possible to charge the energy store to a higher voltage level than the voltage level of the electrical energy supply.
  • the throttle device decouples the network from the energy store by smoothing the currents, which is advantageous. Consequently, with the same rated current, the energy storage device according to the invention can provide greater electrical power since the electric power is defined as the product of current and voltage. This is an advantage since a higher electrical power is available for, for example, the electric drive of a vehicle.
  • the buck converter is connected at its connection for the voltage to be deep-set with the energy store.
  • a buck converter has in each case at least one connection for the voltage to be low-voltage and the low-voltage.
  • the connection for the voltage to be lowered is to be understood as the connection of the step-down converter to which a comparatively higher voltage is applied; the voltage lowered by the action of the buck converter is applied to the low voltage terminal.
  • the step-down converter can be used for discharging the energy store charged to a higher voltage level than the voltage of the electrical energy supply.
  • a further advantage is that the freewheeling diode of the step-down converter does not block the voltage level of the electrical energy supply when the energy store is being charged.
  • the throttle device designed such that it acts as a throttle and as a line filter choke. This is advantageous because a single throttle device is sufficient and not a mains choke and additionally an actuator throttle are needed.
  • a precharging device is connected upstream of the energy store.
  • the use of a pre-charging device is advantageous because it allows pre-charging a discharged energy store to the voltage level of the electrical power supply. As a result, starting from a preloaded energy store, a correct functioning of the buck converter and boost converter used is ensured.
  • the precharging device is arranged between buck converter and energy store.
  • the precharging device is arranged upstream of the throttle device.
  • the precharging device has a precharge resistor and a precharge switching device. This is advantageous because the pre-charge allows a controlled charging of the energy storage and allows the Vorladeschalt Road switching on and off of the pre-charging.
  • a safety device is arranged downstream of the energy store. This is advantageous because the safety device prevents the occurrence of high currents or excessive voltages and associated hazards in the event of a fault.
  • an energy storage switching device is arranged parallel to the precharging device. By the energy storage switching device, the energy storage can be quickly and reliably turned on or off, which is essential, for example, in the context of maintenance. Furthermore, the precharging device can be closed for a short time.
  • the electrical energy supply comprises a traction power supply network.
  • a traction power supply network is advantageous because particularly in the case of mobile and / or stationary (for example in charging stations / stops) energy storage arrangements supplied by a traction current network, a particularly high electrical power is required for driving rail vehicles; This is achieved by the voltage level of the energy storage arrangement lying above the voltage level of the traction current network.
  • the energy store comprises a mobile energy store of a vehicle.
  • a vehicle such as a rail vehicle
  • high power is achieved with comparatively lower weight and comparatively smaller installation space than in the case of known energy storage arrangements.
  • Another advantage is that due to the smaller installation space and the comparatively simple
  • the energy store comprises a stationary energy store.
  • This may be, for example, a double-layer capacitor at a charging station.
  • Station for an electric car or an electric rail vehicle which is supplied via a conventional supply line of a low-voltage electrical network and can be charged by the energy storage device according to the invention to a higher voltage level than the voltage level of the supply line. This is an advantage because it can provide high electric power for charging electric cars or electric rail vehicles in a short time.
  • the energy store comprises an electrochemical energy store and / or an electrical energy store and / or a pseudocapacitor.
  • An electrochemical energy store may be, for example, a battery.
  • the use of an electrochemical energy store is advantageous because electrochemical energy stores can store a large amount of electrical energy.
  • Another advantage of electrochemical energy storage is that they can be dimensioned so that even with maximum discharge of the electrochemical energy storage, the residual voltage of the electrochemical energy storage is still above the supply voltage; Thus, the entire energy content can be removed via the buck converter.
  • An electrical energy store may, for example, be a double-layer capacitor. The use of an electrical energy storage device is advantageous because it can be charged in a particularly short time and
  • the throttle device is preceded by a network switching device. If necessary, the power switching device separates the energy storage device from the electrical power supply or switches it on. This is advantageous because a fast switching on and off of the power supply is thus ensured by the power switching device in case of failure or maintenance.
  • an energy storage system is proposed, in which a plurality of energy storage arrangements according to the invention is connected in parallel.
  • the energy storage arrangements connected in parallel can be connected to the electrical energy supply network 2 by means of a common mains choke. This is advantageous because only one throttle device is needed and thus several throttle devices can be saved. This lowers the manufacturing cost and reduces the footprint of the energy storage system, which saves on both manufacturing and operation costs.
  • the energy storage arrangements connected in parallel can be connected to the electrical energy supply network by means of a respective mains choke.
  • a respective mains choke can be connected to the electrical energy supply network by means of a respective mains choke.
  • the subject matter of the present invention is a method for operating an energy storage arrangement having an energy store which can be connected to an electrical energy supply via a step-down converter, the energy store being connected to the connection for the voltage to be lowered of the step-down converter, and a throttle device , And with a parallel to the energy storage and the step-down converter arranged boost converter, in which
  • the energy storage is charged by the boost converter for short-circuiting the electrical power supply is switched according to its timing, the resulting current is limited by the throttle device, and the boost converter is turned off according to its timing, wherein the current flow is directed by the throttle device in the energy storage ;
  • the energy storage is discharged by means of the setter lowers the output voltage of the energy storage is lowered to the voltage level of the electrical energy supply.
  • the energy store is precharged by means of a precharging device to the voltage level of the electrical energy supply.
  • FIG. 1 In the figures are shown in schematic representation in FIG. 1
  • Figure 1 is an energy storage arrangement of the prior
  • Figure 3 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 4 shows another embodiment of an energy storage system according to the invention.
  • 2, such as a traction power supply network are connected to a backup capacitor 6 via a network switching device 3 and a line choke device 4.
  • the buck converter 5 is connected at its connection for the voltage to be deep-set to the throttle device 4 or the electrical power supply 2.
  • the energy storage switching device 8 is a controllable switch.
  • the energy storage device 9 is, for example, an electrical energy storage, such as a double-layer capacitor and / or an electrochemical energy storage, such as a battery and / or a pseudocapacitor.
  • Downstream of the energy storage device 9 is a safety device 10.
  • the actuator throttle 7, the energy storage switching device 8, the energy storage 9 and the safety device 10 are connected in series and the boost converter 11 in parallel.
  • the backup capacitor 6, the boost converter 11 and the fuse 10 are connected in parallel and connected to a busbar 12.
  • the power switching device 3 separates when needed the energy storage and the rest of the arrangement of the electrical power supply 2.
  • the line choke device 4 decouples the electrical energy supply 2 from the energy store 9 by smoothing the currents.
  • the support capacitor 6 is designed as an intermediate circuit capacitor and ensures a stable voltage, so that the boost converter and the buck converter can be suitably clocked.
  • the buck converter 5 is used to charge the energy storage device 9. In this case, the electrical energy supply 2 has a higher voltage than the maximum charging voltage of the energy storage device 9. The buck converter 5 therefore serves to set the desired charging current in the circuit of the energy store 9.
  • the boost converter 11 is used for discharging the energy storage 9; so that the energy storage 9, despite its smaller in relation to the electrical power supply 2 voltage, the electric power supply 2 can feed.
  • the energy storage switching device 8 serves to disconnect the energy storage device 9, e.g. for maintenance purposes.
  • the safety device 10 limits the current in the event of a fault.
  • the boost converter 11 of the series circuit of buck converter 5 and energy storage 9 is connected in parallel.
  • the two actuators 5,11 upstream throttle device 4 is used in the energy storage device 20 according to the invention both as a mains choke and as a control throttle.
  • the buck converter 5 is the energy storage rather 9 and the safety device 10 downstream, wherein the buck converter (5) is connected at its connection for the voltage to be lowered with the energy store (9).
  • the energy storage switching device 8 is provided, which is connected in parallel to a pre-charging device 21.
  • the precharging device 21 consists of a precharge resistor 22 and a precharge switching device 23.
  • the buck converter 5 is in contrast to the embodiment of the prior art according to Figure 1 with its input side no longer connected to the throttle device 4 and the electrical power supply 2 connected thereto, but connected to the energy storage device 9.
  • the buck converter is no longer used to charge the energy storage 9, but for unloading. It is clocked so that the higher storage voltage is adjusted to the lower voltage of the electrical energy supply see 2, that sets the desired discharge current. For this purpose, various timing methods known in the art may be used.
  • the boost converter 11 is connected according to Figure 2 with its output side via the throttle device 4 to the electrical power supply 2 and is used to charge the energy storage 9. When powering the boost converter 11 generates a short circuit to the electrical power supply 2; the resulting current is limited by the throttle device 4.
  • the throttle device 4 When switched off, the throttle device 4 maintains the flow of current and deflects it via the freewheeling diode of the buck converter 11 in the memory so that it is charged, although the voltage of the electric power supply 2 is smaller than the voltage level of the energy storage 9.
  • the precharger 21 is needed in case the voltage level of the energy store 9 is below the voltage of the electrical energy supply 2. This case may occur for example due to a discharge for maintenance purposes.
  • the energy storage 9 must first be charged so that the controller can work as intended. By means of the precharging device, the energy store 9 can be charged in a controlled manner to the voltage of the electrical energy supply 2. In the exemplary embodiment illustrated in FIG.
  • the precharging device is mounted between the buck converter 5 and the energy store 9.
  • the precharging device can also be connected upstream of the throttle device 4 or the network switching device 3.
  • a filter device not shown in Fig. 2 may be provided, which is formed for example of a filter capacitor and achieved together with the throttle device 4, the desired filtering effect, wherein the throttle device 4 serves both as an actuator throttle and as a line filter choke.
  • the known energy storage device 1 according to
  • FIG. 3 In the embodiment of the energy storage system 30 according to the invention shown in FIG. 3, three energy storage devices are provided. cheran angelen 31 to 33 connected together via a throttle device 4 to the electrical power supply 2.
  • a different representation is selected than in FIGS. 1 and 2 in order to make the arrangement with multiple energy storage arrangements 31 - 33 easier to image more easily.
  • an equal voltage level and an equal current flow for all energy storage 9 in the energy storage system 30 is ensured.
  • It is an advantage of this circuit that 4 more throttling devices for each energy storage 9 are saved by the common use of a throttle device.
  • Another advantage is that a faulty controller does not lead to a total failure of the energy storage system 30, because it can be accessed with the remaining controllers 5.11 to the remaining energy storage 9.
  • a throttle device 41 to 43 is provided for each energy storage arrangement 44 to 46.
  • the energy stores 9 can be individually loaded differently and also different types of energy stores in the three energy storage arrangements 44 to 46 can be used in each case.
  • one of the energy stores 9 may be an electrochemical battery, while the other energy stores 9 are double-layer capacitors.

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Energiespeicheranordnung (20) mit einem Energiespeicher (9), der über einen Tiefsetzsteller (5) und eine Drosseleinrichtung (4) an eine elektrische Energieversorgung (2) anschließbar ist, und mit einem Hochsetzsteller (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller (11) parallel zu dem Energiespeicher (9) und dem Tiefsetzsteller (5) angeordnet ist und der Energiespeicher (9) dafür geeignet ist, auf ein höheres Spannungsniveau als das Spannungsniveau der elektrischen Energieversorgung (2) geladen zu werden. Weiterhin sind ein Energiespeichersystem (30,40) mit mehreren Energiespeicheranordnungen (31-33, 44-46) und ein Verfahren für das Betreiben einer Energiespeicheranordnung (20) Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Energiespeicheranordnung, Energiespeichersystem und Verfahren für das Betreiben einer Energiespeicheranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung mit einem Energiespeicher, der über einen Tiefsetzsteller und eine Drosseleinrichtung an eine elektrische Energieversorgung anschließbar ist, und mit einem Hochsetzsteller. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energiespeichersystem mit mehreren der eingangs genannten Energiespeicheranordnungen sowie ein Verfahren für das Betreiben einer Energiespeicheranordnung . Elektrisch betriebene Fahrzeuge, wie z.B. Schienenfahrzeuge wie etwa Straßenbahnen, werden häufig mit Energiespeichern ausgerüstet. Die Energiespeicher dienen dazu, Bremsenergie beim Bremsen elektrisch zu speichern und später wieder für den Fahrbetrieb einzusetzen. Darüber hinaus ermöglichen die Energiespeicher ein oberleitungsloses Fahren der Schienenfahrzeuge und dadurch den autarken Einsatz der Schienenfahrzeuge ohne eine externe elektrische Energieversorgung.
Aus dem Artikel „Einsatz neuer Energiespeicher auf Straßen- bahnen" von Dr. Michael Meinert, erschienen in ZEVrail, Ausgabe 132 aus dem Jahr 2008, Tagungsband SFT Graz 2008, ist eine Straßenbahn mit einem mobilen Energiespeicher bekannt (vgl. beiliegende Figur 1, die zur Vereinfachung einphasig dargestellt ist) . Als Energiespeicher wird ein 2 kWh- Doppelschichtkondensatorenergiespeicher vorgeschlagen. Dabei werden ein Stützkondensator und ein Pulswechselrichter einer Netzfilterdrossel, die mit einer externen elektrischen Energieversorgung verbunden ist, nachgeschaltet (vgl. Seite 75 Bild 5 des Artikels) . An einen Hoch- und einen Tiefsetzstel - 1er des Pulswechselrichters ist eine Stellerdrossel angeschlossen, dem der Doppelschichtkondensator nachgeschaltet ist. Bei der vorgeschlagenen Verschaltung des Doppelschichtkondensators ist es vorgesehen, dass der Doppelschichtkonden- sator auf ein niedrigeres Spannungsniveau als das Spannungsniveau der elektrischen Energieversorgung geladen wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Energiespeicheranord- nung mit einem Energiespeicher zur Verfügung zu stellen, die eine vergleichsweise höhere elektrische Leistung zur Verfügung stellt sowie mit vergleichsweise geringem schaltungstechnischen Aufwand umgesetzt werden kann. Als Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung gemäß Anspruch 1 eine Energiespeicheranordnung mit einem Energiespeicher, der über einen Tiefsetzsteller und eine Drosseleinrichtung an eine elektrische Energieversorgung anschließbar ist, und mit einem Hochsetzsteller vor, wobei der Hochsetzsteller parallel zu dem Energiespeicher und dem Tiefsetzsteller angeordnet ist und der Energiespeicher dafür geeignet ist, auf ein höheres Spannungsniveau als das Spannungsniveau der elektrischen Energieversorgung geladen zu werden. Der Hochsetzsteller dient zum Laden des Energiespeichers mit der von der elektrischen Energieversorgung zur Verfügung gestellten niedrigeren Spannung, während der Tiefsetzsteller zum Entladen des Energiespeichers dient. Der Hochsetzsteller erzeugt gemäß seiner Taktung beim Einschalten einen Kurzschluss mit der elektrischen Energieversorgung, wobei der resultierende Strom durch die Drosseleinrichtung begrenzt wird. Beim Ausschalten des Hochsetzstellers gemäß seiner Taktung erhält die Drosseleinrichtung den Strom- fluss aufrecht und lenkt den Strom über die Freilaufdiode des Tiefsetzstellers in den Energiespeicher um. Hierdurch ermöglicht es die Energiespeicheranordnung, den Energiespeicher auf ein höheres Spannungsniveau als das Spannungsniveau der elektrischen Energieversorgung zu laden.
Die Drosseleinrichtung entkoppelt durch Glättung der Ströme das Netz von dem Energiespeicher, was vorteilhaft ist. Bei gleichem Nennstrom kann die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung folglich eine größere elektrische Leistung liefern, da die elektrische Leistung als das Produkt aus Strom und Spannung definiert ist. Dies ist ein Vorteil, da so eine höhere elektrische Leistung für z.B. den elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs zur Verfügung steht .
Es ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung, dass weder ein Stützkondensator benötigt wird, da der Energiespeicher selbst eine stabile Spannung zum Schalten der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung bereitstellt, noch eine Stellerdrossel benötigt wird. Dadurch werden der benötige Einbauraum, das Gewicht und die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung verringert. Insbesondere bei Verwendung der Energiespeicheranordnung in einen Fahrzeug wird durch das geringere Gewicht auch der Energieverbrauch im Fahrbetrieb verringert .
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung ist der Tiefsetzsteller an seinem Anschluss für die tiefzusetzende Spannung mit dem Energiespeicher verbunden. Ein Tiefsetzsteller weist jeweils mindestens einen Anschluss für die tiefzusetzende Spannung und die tiefgesetzte Spannung auf. Dabei ist unter dem Anschluss für die tiefzusetzende Spannung derjenige Anschluss des Tiefsetzstellers zu verstehen, an dem eine vergleichsweise höhere Spannung anliegt; die Spannung, die durch die Wirkung des Tiefsetzstellers herabgesetzt wurde, liegt an dem Anschluss für die tiefgesetzte Spannung an. Dies ist vorteilhaft, weil der Tiefsetzsteller zum Entladen des auf ein im Vergleich zur Spannung der elektrischen Energieversorgung höheres Spannungsniveau geladenen Energiespeichers nutzbar ist. Ein weiterer Vorteil ist es, dass die Freilaufdiode des Tiefsetzstellers beim Laden des Energiespeichers auf das Spannungsni- veau der elektrischen Energieversorgung nicht sperrt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Energiespeicheranordnung ist die Drosseleinrichtung derart ausgebildet, dass sie als Stellerdrossel und als Netzfilterdrossel wirkt. Dies ist vorteilhaft, weil eine einzige Drosseleinrichtung genügt und nicht eine Netzdrossel und zusätzlich eine Stellerdrossel benötigt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung ist eine Vorladeeinrichtung dem Energiespeicher vorgeschaltet. Die Verwendung einer Vorladeeinrichtung ist vorteilhaft, weil durch sie ein entlade- ner Energiespeicher auf das Spannungsniveau der elektrischen Energieversorgung kontrolliert vorgeladen werden kann. Dadurch wird ausgehend von einem vorgeladenen Energiespeicher ein korrektes Funktionieren der verwendeten Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller gewährleistet.
In einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung ist die Vorladeeinrichtung zwischen Tiefsetzsteller und Energiespeicher angeordnet .
In einer anderen Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung ist die Vorladeeinrichtung der Drosseleinrichtung vorgeordnet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Energiespeicheranordnung weist die Vorladeeinrichtung einen Vorladewiderstand und eine Vorladeschalteinrichtung auf. Dies ist von Vorteil, weil der Vorladewiderstand ein kontrolliertes Laden des Energiespeichers ermöglicht und die Vorladeschalteinrichtung ein Ein- beziehungsweise Ausschalten der Vorladeeinrichtung ermöglicht.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Energiespeicheranordnung ist dem Energiespeicher eine Sicherungseinrichtung nachgeordnet. Dies ist vorteilhaft, weil die Sicherungseinrichtung im Fehlerfall das Auftreten zu hoher Ströme oder zu hoher Spannungen und damit verbundene Gefährdungen verhindert . In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung ist parallel zu der Vorladeeinrichtung eine Energiespeicherschalteinrichtung angeordnet. Durch die Energiespeicherschalteinrichtung kann der Energiespeicher schnell und zuverlässig ein- oder ausgeschaltet werden, was beispielsweise im Rahmen von Wartungsarbeiten uner- lässlich ist. Weiterhin kann die Vorladeeinrichtung kurz geschlossen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung umfasst die elektrische Energieversorgung ein Bahnstromversorgungsnetz. Dies ist vorteilhaft, weil insbesondere bei von einem Bahnstromnetz ver- sorgten mobilen und/oder stationären (z.B. in Ladestationen/Haltestellen) Energiespeicheranordnungen eine besonders hohe elektrische Leistung für den Antrieb von Schienenfahrzeugen benötigt wird; dies wird durch das über dem Spannungs- niveau des Bahnstromnetzes liegende Spannungsniveau der Ener- giespeicheranordnung erreicht.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Energiespeicheranordnung umfasst der Energiespeicher einen mobilen Energiespeicher eines Fahrzeugs. Dies ist von Vorteil, weil ein Fahrzeug, wie etwa ein Schienenfahrzeug, eine hohe elektrische Leistung benötigt, um ohne externe elektrische Energieversorgung fahren zu können. Durch die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung wird eine hohe Leistung bei vergleichsweise geringerem Gewicht und vergleichs- weise geringerem Einbauplatz als bei bekannten Energiespeicheranordnungen. Ein weiterer Vorteil ist es, dass durch den geringeren Einbauplatz und die vergleichsweise einfache
Schaltung geringere Kosten in der Herstellung entstehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung umfasst der Energiespeicher einen stationären Energiespeicher. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Doppelschichtkondensator an einer Lade- Station für ein Elektroauto oder ein elektrisches Schienenfahrzeug handeln, der über eine herkömmliche Versorgungsleitung eines elektrischen Niederspannungsnetzes versorgt wird und durch die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung auf ein höheres Spannungsniveau als das Spannungsniveau der Versorgungsleitung geladen werden kann. Dies ist ein Vorteil, weil dadurch in kurzer Zeit eine hohe elektrische Leistung für das Laden von Elektroautos oder elektrischen Schienenfahrzeugen bereitgestellt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung umfasst der Energiespeicher einen elektrochemischen Energiespeicher und/oder einen elektrischen Energiespeicher und/oder einen Pseudocapacitor . Ein elektrochemischer Energiespeicher kann beispielsweise eine Batterie sein. Die Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichers ist vorteilhaft, weil elektrochemische Energiespeicher eine große Menge elektrischer Energie speichern können. Ein weiterer Vorteil elektrochemischer Energiespeicher ist es, dass diese so dimensioniert werden können, dass auch bei maximaler Entladung der elektrochemischen Energiespeicher die Restspannung der elektrochemischer Energiespeicher noch oberhalb der VersorgungsSpannung liegt; somit kann der gesamte Energieinhalt über den Tiefsetzsteller entnommen werden. Bei einem elektrischen Energiespeicher kann es sich beispielsweise um einen Doppelschichtkondensator handeln. Die Verwendung eines elektrischen Energiespeichers ist vorteilhaft, weil dieser in besonders kurzer Zeit ladbar und
entladbar ist und daher z.B. in einem elektrischen Schienen- fahrzeug in kurzer Zeit große Energiemengen für Beschleunigungsvorgänge zur Verfügung stellen kann. Neben einem Doppel - Schichtkondensator ist auch die Verwendung eines
Pseudocapacitors oder eines Hybridcapacitors möglich. Grundsätzlich können alle Energiespeichertypen intern aus mehreren Modulen aufgebaut sein, die parallel und/oder in Reihe geschaltet sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung ist der Drosseleinrichtung eine Netzschalteinrichtung vorgeordnet. Die Netzschalteinrichtung trennt bei Bedarf die Energiespeicheranordnung von der elektrischen Energieversorgung oder schaltet diese ein. Dies ist vorteilhaft, weil durch die Netzschalteinrichtung somit im Fehlerfall oder bei Wartungsarbeiten ein schnelles Ein- und Ausschalten der Energieversorgung gewährleistet ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Energiespeichersystem vorgeschlagen, bei dem eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnungen parallel geschaltet ist. Dies ist von Vorteil, weil durch die Verwendung mehrerer Energiespeicheranordnungen bei Ausfall eines Stellers nach wie vor elektrische Leistung durch die übrigen Steller und den entsprechenden verbleibenden Energiespeicher bereitgestellt werden kann. In einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems sind die parallel geschalteten Ener- giespeicheranordnungen mittels einer gemeinsamen Netzdrosseleinrichtung an das elektrische Energieversorgungsnetz 2 anschließbar. Dies ist von Vorteil, weil nur eine Drosseleinrichtung benötigt wird und somit mehrere Drosseleinrichtungen eingespart werden können. Dies senkt die Herstellungskosten und verringert den Einbauplatz des Energiespeichersystems, was Kosten sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb einspart .
In einer anderen bevorzugten Weiterbildung des vorgenannten erfindungsgemäßen Energiespeichersystems sind die parallel geschalteten Energiespeicheranordnungen mittels jeweils einer Netzdrosseleinrichtung an das elektrische Energieversorgungsnetz anschließbar. Dies ist von Vorteil, weil durch die Verwendung von jeweils einer Netzdrosseleinrichtung für jeden Energiespeicher die Energiespeicher individuell unterschiedlich elektrisch belastet werden können. Dadurch können auch unterschiedliche Energiespeicherarten verwendet werden, die beispielsweise jeweils eine unterschiedliche MaximalSpannung aufweisen .
Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfah- ren für das Betreiben einer Energiespeicheranordnung mit einem Energiespeicher, der über einen Tiefsetzsteller, wobei der Energiespeicher an den Anschluss für die tiefzusetzende Spannung des Tiefsetzstellers angeschlossen ist, und eine Drosseleinrichtung an eine elektrische Energieversorgung an- schließbar ist, und mit einem parallel zu dem Energiespeicher und dem Tiefsetzsteller angeordneten Hochsetzsteller, bei dem
- der Energiespeicher geladen wird, indem der Hochsetzsteller zum Kurzschließen der elektrischen Energieversorgung gemäß seiner Taktung eingeschaltet wird, wobei der resultierende Strom mittels der Drosseleinrichtung begrenzt wird, und der Hochsetzsteller gemäß seiner Taktung ausgeschaltet wird, wobei der Stromfluss mittels der Drosseleinrichtung in den Energiespeicher gelenkt wird;
- der Energiespeicher entladen wird, indem mittels des Tief- setzstellers die AusgangsSpannung des Energiespeichers auf das Spannungsniveau der elektrischen Energieversorgung abgesenkt wird. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung beschrieben.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Energiespeicher mittels einer Vorladeeinrichtung auf das Spannungsniveau der elektrischen Energieversorgung vorgeladen. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung beschrieben.
In den Figuren sind in schematischer Darstellung in
Figur 1 eine Energiespeicheranordnung des Standes der
Technik und in Figur 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung und in
Figur 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Energiespeichersystems und in
Figur 4 eine andere Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen Energiespeichersystems gezeigt. In der Figur 1 ist eine aus dem Artikel „Einsatz neuer Energiespeicher auf Straßenbahnen" (Seite 75, Bild 5) von Dr. Michael Meinert bekannte Energiespeicheranordnung, die mittels eines Pulswechselrichters dreiphasig ausgebildet ist, in vereinfachter, einphasiger Darstellung abgebildet. Dabei ist ei- ne elektrische Energieversorgung 2, wie etwa ein Bahnstromversorgungsnetz, über eine Netzschalteinrichtung 3 und eine Netzdrosseleinrichtung 4 mit einem Stützkondensator 6 verbunden . Parallel zu dem Stützkondensator 6 ist eine Reihenschaltung aus einem Tiefsetzsteller 5 und einem Hochsetzsteller 11 vorgesehen. Bei dem Hoch- und dem Tiefsetzsteller 5,11 handelt es sich beispielsweise um steuerbare Halbleiterelemente wie IGBTs . Der Tiefsetzsteller 5 ist an seinem Anschluss für die tiefzusetzende Spannung mit der Drosseleinrichtung 4 bzw. der elektrischen Energieversorgung 2 verbunden.
Zwischen dem Tiefsetzsteller 5 und dem Hochsetzsteller 11 ist eine Stellerdrossel 7 angeschlossen, der eine Energiespei- cherschalteinrichtung 8 nachgeordnet ist. Bei der Energie- speicherschalteinrichtung 8 handelt es sich um einen steuerbaren Schalter. Der Energiespeicherschalteinrichtung 8 nachgeordnet ist ein Energiespeicher 9. Bei dem Energiespeicher 9 handelt es sich beispielsweise um einen elektrischen Energie- Speicher, wie beispielsweise einen Doppelschichtkondensator und/oder einen elektrochemischen Energiespeicher, wie etwa eine Batterie und/oder einen Pseudocapacitor . Dem Energiespeicher 9 nachgeordnet ist eine Sicherungseinrichtung 10. Die Stellerdrossel 7, die Energiespeicherschalteinrichtung 8, der Energiespeicher 9 und die Sicherungseinrichtung 10 sind in Reihe und dem Hochsetzsteller 11 parallel geschaltet. Der Stützkondensator 6, der Hochsetzsteller 11 und die Siche- rungseinrichtung 10 sind parallel geschaltet und mit einer Sammelschiene 12 verbunden.
Im Folgenden soll nun kurz die Funktionsweise der Energie- speicheranordnung 1 erläutert werden. Die Netzschalteinrichtung 3 trennt bei Bedarf den Energiespeicher und den Rest der Anordnung von der elektrischen Energieversorgung 2 ab. Die Netzdrosseleinrichtung 4 entkoppelt durch Glättung der Ströme die elektrische Energieversorgung 2 von dem Energiespeicher 9. Der Stützkondensator 6 ist als Zwischenkreiskondensator ausgelegt und sorgt für eine stabile Spannung, damit der Hochsetzsteller und der Tiefsetzsteller geeignet getaktet werden können. Der Tiefsetzsteller 5 dient zum Laden des Energiespeichers 9. Dabei weist die elektrische Energiever- sorgung 2 eine höhere Spannung als die maximale Ladespannung des Energiespeichers 9 auf. Der Tiefsetzsteller 5 dient daher dazu, im Stromkreis des Energiespeichers 9 den gewünschten Ladestrom einzustellen. Der Hochsetzsteller 11 dient zum Entladen des Energiespeichers 9; so dass der Energiespeicher 9 trotz seiner im Verhältnis zur elektrischen Energieversorgung 2 kleineren Spannung die elektrische Energieversorgung 2 speisen kann. Die Energiespeicherschalteinrichtung 8 dient zum Abtrennen des Energiespeichers 9, z.B. zu Wartungszwecken. Die Sicherungseinrichtung 10 begrenzt den Strom im Feh- lerfall.
In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung 20 ist der Hochsetzsteller 11 der Reihenschaltung aus Tiefsetzsteller 5 und Energiespeicher 9 parallel geschaltet. Die beiden Stellern 5,11 vorgeordnete Drosseleinrichtung 4 dient bei der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung 20 sowohl als Netzdrossel als auch als Stellerdrossel. Dem Tiefsetzsteller 5 sind der Energiespei- eher 9 und die Sicherungseinrichtung 10 nachgeschaltet, wobei der Tiefsetzsteller (5) an seinem Anschluss für die tiefzusetzende Spannung mit dem Energiespeicher (9) verbunden ist. Zwischen dem Tiefsetzsteller 5 und dem Energiespeicher 9 ist die Energiespeicherschalteinrichtung 8 vorgesehen, der eine Vorladeeinrichtung 21 parallel geschaltet ist. Die Vorladeeinrichtung 21 besteht aus einem Vorladewiderstand 22 und einer Vorladeschalteinrichtung 23. Im Folgenden soll nun kurz auf die Funktionsweise der Energiespeicheranordnung 20 einge- gangen werden.
Der Tiefsetzsteller 5 ist im Gegensatz zu der Ausführungsform des Standes der Technik gemäß Figur 1 mit seiner Eingangsseite nicht mehr mit der Drosseleinrichtung 4 und der daran an- geschlossenen elektrischen Energieversorgung 2 verbunden, sondern an den Energiespeicher 9 angeschlossen. Der Tiefsetzsteller dient nicht mehr zum Laden des Energiespeichers 9, sondern zum Entladen. Er wird so getaktet, dass die höhere Speicherspannung so an die niedrigere Spannung der elektri- sehen Energieversorgung 2 angepasst wird, dass sich der gewünschte Entladestrom einstellt. Hierfür können verschiedene im Stand der Technik bekannten Taktungsverfahren verwendet werden . Der Hochsetzsteller 11 ist gemäß Figur 2 mit seiner Ausgangsseite über die Drosseleinrichtung 4 an die elektrische Energieversorgung 2 angeschlossen und dient zum Laden des Energiespeichers 9. Beim Einschalten erzeugt der Hochsetzsteller 11 einen Kurzschluss mit der elektrischen Energieversorgung 2; der resultierende Strom wird durch die Drosseleinrichtung 4 begrenzt. Beim Ausschalten hält die Drosseleinrichtung 4 den Stromfluss aufrecht und lenkt ihn über die Freilaufdiode des Tiefsetzstellers 11 in den Speicher um, so dass dieser geladen wird, obwohl die Spannung der elektrischen Energie- Versorgung 2 kleiner ist als das Spannungsniveau des Energiespeichers 9. Hierfür können ebenfalls verschiedene bekannte Verfahren des Standes der Technik zur Taktung eingesetzt werden. Die Vorladeeinrichtung 21 wird für den Fall benötigt, dass das Spannungsniveau des Energiespeichers 9 unterhalb der Spannung der elektrischen Energieversorgung 2 liegt. Dieser Fall kann beispielsweise aufgrund einer Entladung zu Wartungszwecken vorkommen. Der Energiespeicher 9 muss zunächst aufgeladen werden, damit die Steller wie vorgesehen arbeiten können. Durch die Vorladeeinrichtung kann der Energiespeicher 9 kontrolliert auf die Spannung der elektrischen Energieversorgung 2 aufgeladen werden. In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Vorladeeinrichtung zwischen dem Tiefsetzsteller 5 und dem Energiespeicher 9 angebracht. Alternativ kann die Vorladeeinrichtung jedoch auch der Drossel - einrichtung 4 oder der Netzschalteinrichtung 3 vorgeschaltet sein. Zur Glättung von netzseitigen Strömen kann eine in Fig. 2 nicht gezeigte Filtervorrichtung vorgesehen werden, die z.B. aus einem Filterkondensator gebildet wird und zusammen mit der Drosseleinrichtung 4 die gewünschte Filterwirkung erzielt, wobei die Drosseleinrichtung 4 sowohl als Stellerdrossel als auch als Netzfilterdrossel dient. Im Gegensatz zur bekannten Energiespeicheranordnung 1 gemäß
Figur 1 wird ein Stützkondensator nicht benötigt, da der Energiespeicher 9 selbst eine stabile Spannung zum Schalten der Steller 5,11 bereitstellt. Ein weiterer Vorteil ist es, dass keine Stellerdrossel 7, wie in der Figur 1 vorgesehen, benötigt wird, weil diese Funktion von der Drosseleinrichtung 4 wahrgenommen wird.
Durch die modifizierte Anordnung des Hochsetzstellers 11 und des Tiefsetzsteller 5 gemäß Figur 2 wird im Vergleich zur Fi- gur 1 eine Erhöhung des Spannungsniveaus des Energiespeichers
9 über das Spannungsniveau der elektrischen Energieversorgung 2 ermöglicht. Darüber hinaus werden der Stützkondensator und die Stellerdrossel eingespart, was Herstellungs- und Wartungskosten verringert sowie Gewicht und Baugruppengröße ver- kleinert .
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 30 sind drei Energiespei- cheranordnungen 31 bis 33 gemeinsam über eine Drosseleinrichtung 4 an die elektrische Energieversorgung 2 angeschlossen. Dabei ist bei der Figur 3 ebenso wie bei der Figur 4 eine andere Darstellungsweise gewählt als bei den Figuren 1 und 2, um die Anordnung mit mehreren Energiespeicheranordnungen 31- 33 leichter einfacher abbilden zu können. Hierdurch wird ein gleiches Spannungsniveau und ein gleicher Stromfluss für alle Energiespeicher 9 im Energiespeichersystem 30 gewährleistet. Es ist ein Vorteil dieser Schaltung, dass durch die gemeinsa- me Verwendung einer Drosseleinrichtung 4 weitere Drosseleinrichtungen für jeden einzelnen Energiespeicher 9 eingespart werden. Ein weiterer Vorteil ist es, dass ein defekter Steller nicht zu einem Totalausfall des Energiespeichersystems 30 führt, denn es kann mit den verbleibenden Stellern 5,11 auf die verbleibenden Energiespeicher 9 zugegriffen werden.
In der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 40 gemäß Figur 4 wird für jede Energiespeicheranordnung 44 bis 46 je eine Drosseleinrichtung 41 bis 43 vorgese- hen. Dies hat den Vorteil, dass die Energiespeicher 9 auf unterschiedliche Spannungsniveaus geladen werden können. Dies ist insbesondere dadurch ein Vorteil, dass die Energiespeicher 9 individuell unterschiedlich belastet werden können und auch jeweils unterschiedliche Arten von Energiespeichern in den drei Energiespeicheranordnungen 44 bis 46 eingesetzt werden können. Beispielsweise kann es sich bei einem der Energiespeicher 9 um eine elektrochemische Batterie handeln, während es sich bei den weiteren Energiespeichern 9 um Doppel - Schichtkondensatoren handelt.

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeicheranordnung (20) mit einem Energiespeicher (9) , der über einen Tiefsetzsteller (5) und eine Drosselein- richtung (4) an eine elektrische Energieversorgung (2) anschließbar ist, und mit einem Hochsetzsteller (11),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hochsetzsteller (11) parallel zu dem Energiespeicher (9) und dem Tiefsetzsteller (5) angeordnet ist und
der Energiespeicher (9) dafür geeignet ist, auf ein höheres Spannungsniveau als das Spannungsniveau der elektrischen Energieversorgung (2) geladen zu werden.
2. Energiespeicheranordnung nach Anspruch 1, bei der der Tiefsetzsteller (5) an seinem Anschluss für die tiefzusetzende Spannung mit dem Energiespeicher (9) verbunden ist.
3. Energiespeicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Drosseleinrichtung (4) derart ausgebildet ist, dass sie als Stellerdrossel und als Netzfilterdrossel wirkt.
4. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Vorladeeinrichtung (21) dem Energiespeicher (9) vorgeschaltet ist.
5. Energiespeicheranordnung nach Anspruch 4, bei der die Vorladeeinrichtung zwischen Tiefsetzsteller (5) und Energiespeicher (9) angeordnet ist.
6. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Vorladeeinrichtung der Drosseleinrichtung 4 vorgeordnet ist.
7. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die Vorladeeinrichtung (21) einen Vorladewiderstand (22) und eine Vorladeschalteinrichtung (23) aufweist.
8. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem Energiespeicher (9) eine Sicherungseinrichtung (10) nachgeordnet ist.
9. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei parallel zu der Vorladeeinrichtung (21) eine Energiespeicherschalteinrichtung (8) angeordnet ist.
10. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektrische Energieversorgung (2) ein
Bahnstromversorgungsnetz umfasst .
11. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Energiespeicher (9) einen mobilen Energiespeicher eines Fahrzeugs umfasst.
12. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der Energiespeicher (9) einen stationären Energiespeicher umfasst.
13. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Energiespeicher (9) einen elektrochemischen Energiespeicher und/oder einen elektrischen Energiespeicher und/oder einen Pseudocapacitor umfasst.
14. Energiespeichersystem (30,40), bei dem eine Mehrzahl von Energiespeicheranordnungen (31-33,44-46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche parallel geschaltet ist.
15. Energiespeichersystem nach Anspruch 14, bei dem die parallel geschalteten Energiespeicheranordnungen (31-33) mittels einer gemeinsamen Drosseleinrichtung (4) an das elektrische Energieversorgungsnetz (2) anschließbar sind.
16. Energiespeichersystem nach Anspruch 14, bei dem die parallel geschalteten Energiespeicheranordnungen (44-46) mittels jeweils einer Drosseleinrichtung (41-43) an das elektrische Energieversorgungsnetz (2) anschließbar sind.
17. Verfahren für das Betreiben einer Energiespeicheranordnung (20) mit einem Energiespeicher (9), der über einen Tiefsetzsteller (5) , wobei der Energiespeicher (9) an den An- schluss für die tiefzusetzende Spannung des Tiefsetzstellers (5) angeschlossen ist, und eine Drosseleinrichtung (4) an eine elektrische Energieversorgung (2) anschließbar ist, und mit einem parallel zu dem Energiespeicher (9) und dem Tiefsetzsteller (5) angeordneten Hochsetzsteller (11) , bei dem
- der Energiespeicher (9) geladen wird, indem der Hochsetz - steller (11) zum Kurzschließen der elektrischen Energieversorgung (2) gemäß seiner Taktung eingeschaltet wird, wobei der resultierende Strom mittels der Drosseleinrichtung (4) begrenzt wird, und der Hochsetzsteller (11) gemäß seiner Taktung ausgeschaltet wird, wobei der Stromfluss mittels der Drosseleinrichtung (4) in den Energiespeicher (9) gelenkt wird;
- der Energiespeicher (9) entladen wird, indem mittels des Tiefsetzstellers (11) die AusgangsSpannung des Energiespeichers (9) auf das Spannungsniveau der elektrischen Energie- Versorgung (2) abgesenkt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Energiespeicher (9) mittels einer Vorladeeinrichtung auf das Spannungsniveau der elektrischen Energieversorgung (2) vorgeladen wird.
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