EP4298711A1 - Transfereinheit, system und verfahren zum durchführen eines batterieinternen ausgleichsvorgangs - Google Patents

Transfereinheit, system und verfahren zum durchführen eines batterieinternen ausgleichsvorgangs

Info

Publication number
EP4298711A1
EP4298711A1 EP22710513.7A EP22710513A EP4298711A1 EP 4298711 A1 EP4298711 A1 EP 4298711A1 EP 22710513 A EP22710513 A EP 22710513A EP 4298711 A1 EP4298711 A1 EP 4298711A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
bus
charge
racks
transfer unit
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.)
Pending
Application number
EP22710513.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Claus Allert
Aleksandra-Sasa Bukvic-Schaefer
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.)
SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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 SMA Solar Technology AG filed Critical SMA Solar Technology AG
Publication of EP4298711A1 publication Critical patent/EP4298711A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02J7/50—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/52—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially for charge balancing, e.g. equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02J7/40—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries characterised by the exchange of charge or discharge related data
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02J7/50—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02J7/80—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries including monitoring or indicating arrangements
    • H02J7/82—Control of state of charge [SOC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02J2207/00—Details of circuit arrangements for charging or discharging batteries or supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Definitions

  • a plurality of battery racks can be connected to an inverter bridge via a first DC bus.
  • Battery inverter systems can include a number of battery racks connected in parallel via a DC bus, which can exchange power with a connected AC grid via an inverter bridge.
  • a battery rack refers to an arrangement of individual cells or cell sections - also called a module or pack - which are connected in series and possibly also in parallel, and can optionally be managed by a battery management system.
  • Inverter bridges can be included in inverters that can be used in battery inverter systems as both grid-forming and grid-commutated inverters.
  • Cell sections can have several cells, which can be connected in series and/or in parallel within the cell section.
  • the affected battery rack has a state of charge that differs from the state of charge of the other racks.
  • a direct connection of this battery rack to the DC bus with the other battery racks should therefore be avoided because of the equalizing currents that then occur. It is therefore advantageous to match the state of charge of the battery rack in question to the state of charge of the other battery racks before it is switched back to the DC bus in parallel with the other battery racks.
  • Such an adjustment process relates to the adjustment of states of charge between different battery racks.
  • An equalization process relates to the battery-internal equalization process of charge states of cells or cell sections of a battery rack. After an equalization process within the battery, an adjustment process to the state of charge of the other battery racks and subsequent connection to the DC bus, the battery rack is operational again.
  • the inverter bridge In some cases it is useful or in many cases even necessary to supply additional energy to the battery rack for the equalization process, for example to fully charge all cells and carry out the equalization process at the same time. In this case, it is not enough to remove a battery rack from the network, but energy must be actively supplied by the inverter bridge. This can be done for an entire group or alternatively for a part of the battery system. In both cases, the inverter bridge or the inverter is not available for regular operation of the battery inverter system.
  • DC direct current or direct current
  • AC alternating current
  • a transfer unit for a battery inverter system has a first DC bus, via which a plurality of battery racks can be connected to an inverter bridge for a first power exchange with an AC grid.
  • the transfer unit also has a second DC bus, which is connected to the first DC bus via a DC/DC converter, the DC/DC converter having a nominal power that is at least a factor of 5 lower than the nominal power of the inverter bridge.
  • the transfer unit is set up to separate at least one battery rack of the plurality of battery racks from the first DC bus and to connect it to the second DC bus in order to carry out a battery-internal balancing process.
  • a battery rack may include multiple cells or cell sections, which may be connected in series or in parallel.
  • the transfer unit thus has two separate DC buses for battery racks.
  • the battery racks connected to the first DC bus can secure operation, the first DC bus serves as the so-called main rail.
  • a battery rack or a few battery racks can be temporarily coupled to the second DC bus, for example for the purpose of the battery-internal equalization process.
  • the second DC bus serves as a so-called side rail.
  • the first DC bus and the second DC bus each have a DC+ and a DC- conductor.
  • the first DC bus and the second DC bus can share one of the conductors, the DC+ or the DC- conductor.
  • the inverter bridge of an inverter is intended to be connected to and interact with the transfer unit.
  • the transfer unit and the inverter bridge are designed to interact with one another for the first power exchange.
  • the power exchanged via the DC/DC converter is small compared to the power exchanged via the inverter bridge.
  • a DC/DC converter with a relatively small power rating may be sufficient.
  • a maximum of 20% of the rated power of the inverter bridge can be provided. This can be provided, for example, for a system with ten battery racks, which is intended to enable a simultaneous equalization process for two battery racks on the second DC bus.
  • the ratio between the nominal power of the DC/DC converter and the nominal power of the inverter bridge can be selected to be less than or equal to the ratio between the number of battery racks that can be connected to the second DC bus at the same time and the total number of battery racks.
  • the ratio between the nominal power of the DC/DC converter and the nominal power of the inverter bridge can be selected to be less than or equal to the reciprocal of the total number of battery racks.
  • the DC/DC converter can be bidirectional. With a higher number of battery racks in the system, a lower power rating of the DC/DC converter may be required.
  • the transfer unit comprises a control unit which is set up to separate at least one battery rack of the plurality of battery racks from the first DC bus and to connect it to the second DC bus via a switching unit in order to carry out the battery-internal equalization process.
  • the control unit is also set up to initiate the battery-internal balancing process after the at least one battery rack has been connected to the second DC bus, with a second power exchange between the first DC bus and the second DC bus during and/or after the battery-internal balancing process takes place via the DC-DC converter in order to match the state of charge of the at least one battery rack with the state of charge of the battery racks connected to the first DC bus and to supply any additional energy required for this compensation process.
  • the control unit is also set up to disconnect the at least one battery rack from the second DC bus and to connect it to the first DC bus via a switching unit after the state of charge has been adjusted.
  • the control unit of the transfer unit is set up to determine a need for the at least one battery rack to carry out the balancing process or to receive a notification about this.
  • a battery rack preferably has a battery management system that can determine the need to carry out the balancing process and can transmit a message about this to the control unit of the transfer unit.
  • the control unit can take on the tasks of a battery management system and, for example, determine the need to carry out the compensation process.
  • a forecast for a time course of the first power exchange can be taken into account, for example, to a need for Execution of the clearing process to be brought forward or to be postponed to a later date.
  • the battery management can also take place centrally for all racks or in stages, with an individual battery management for each rack and a higher-level battery management for the battery system.
  • a system includes a plurality of converter-free battery racks and a transfer unit, wherein the plurality of battery racks can be connected to an AC grid via the first DC bus with the inverter bridge for the first power exchange.
  • the first DC bus can, for example, serve as the main rail and, for example, secure the operation.
  • the second DC bus can serve, for example, as a side rail to which one or a few battery racks can be temporarily coupled for the purpose of the battery-internal balancing process.
  • a DC/DC converter allows a targeted second power exchange between the DC buses, which can serve several purposes depending on the situation.
  • the state of charge of cell sections of at least one battery rack is equalized in a system with a transfer unit.
  • the at least one battery rack is disconnected from the first DC bus and connected to the second DC bus.
  • the battery-internal balancing process is initiated.
  • a second power exchange takes place between the first DC bus and the second DC bus via the DC-DC converter in order to adjust the state of charge of the at least one battery rack to the state of charge of the first DC
  • the at least one battery rack is separated from the second DC bus and connected to the first DC bus.
  • the method is preferably carried out individually for at least one battery rack.
  • the method is performed for each of the plurality of battery racks in sequence.
  • the method can be carried out for individual battery racks or in groups. In this way, all battery racks of the plurality of battery racks can be balanced in their internal battery state of charge and then matched to the state of charge of the other battery racks. This enables the system to be continuously ready for operation.
  • the second exchange of power is selected at least temporarily in such a way that the compensation process is accelerated. It enables one faster equalization process and faster renewed operational readiness of at least one battery rack.
  • This embodiment can be combined, for example, with an embodiment of the method in which the second power exchange takes place at least temporarily during the balancing process.
  • the balancing process then takes place during the second power exchange between the first and second DC bus via the DC/DC converter, and the balancing process and second power exchange can thus be matched to one another.
  • the second power exchange takes place at least temporarily in such a way that the first power exchange of the system with the AC grid is supported.
  • the balancing process can be interrupted or slowed down to maintain the initial power exchange with the AC grid. This can be advantageous, for example, if the battery racks connected to the first DC bus cannot fully generate the power required for the first power exchange.
  • the second power exchange is selected as a function of the first power exchange via the inverter bridge in such a way that the adjustment of the state of charge of the at least one battery rack with the battery racks connected to the first DC bus is completed at the time the Compensation process or as soon as possible is made possible thereafter.
  • the compensation process and the adjustment process can be coordinated with one another, at best even synchronized, so that the time period in which the at least one battery rack is not available is kept as short as possible overall.
  • the initiative to start an equalization process can come from the battery management system of the at least one battery rack or from the control unit of the transfer unit. Additional instances can be provided that enable the initiation of the compensation process. Such a further instance can be, for example, a controller of a higher-level system to which the battery inverter system is assigned.
  • the at least one battery rack independently recognizes a need to carry out the balancing process and informs the transfer unit of this.
  • the detection can be carried out, for example, by the battery management system.
  • the communicated requirement includes information on the urgency of carrying out the balancing process.
  • An urgency can, for example, be associated with an overall particularly low state of charge of the at least one battery rack or, for example, with particularly large inequalities in the charges of cell sections of the at least one battery rack.
  • the course of charge/discharge cycles of the at least one battery rack can be taken into account.
  • the history taken into account can be, for example, a specific historical history and/or an expected history of a specific battery rack type.
  • the control unit of the transfer unit recognizes a suitable point in time for carrying out the balancing process and initiates the balancing process at this point in time.
  • the urgency communicated by the individual battery racks and/or the capacity of the individual battery racks can be included in the recognition process.
  • a course of charging/discharging cycles of individual battery racks and/or a number of battery racks can be taken into account.
  • the current or predicted operating situation of the battery inverter system and/or a higher-level system can be taken into account.
  • the battery management system of the at least one battery rack controls the course of the equalization process and communicates directly or indirectly with the control unit of the transfer unit and/or a controller of the DC/DC converter so that a desired converter power can be provided to support the equalization process can.
  • battery racks can be switched from different first DC buses to a common second DC bus.
  • This is conceivable, for example, for an inverter with 3 inverter bridges, in which each inverter bridge can be connected to a first DC bus.
  • the transfer unit can then, for example, connect the second DC bus to one of the first buses via the DC/DC converter.
  • the connection can be designed to be permanent or switchable between different first DC buses, or the second DC bus can be connected to several or all of the first DC buses via individual converters.
  • the power exchanged via the DC/DC converter is small compared to the power exchanged via the inverter.
  • the method thus enables different purposes to be pursued at different phases after or during the clearing process:
  • Accelerated matching of the state of charge between the battery racks of the two buses can be made possible in order to be able to switch the at least one battery rack back on more quickly.
  • the balancing process can be aborted, interrupted or delayed be made possible if the operating situation requires a power requirement that the battery racks of the first bus cannot fully meet.
  • the required power is taken from or supplied to the battery rack by the DC/DC converter. After the end of this operating situation, the compensation process can be resumed.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a system with a transfer unit
  • Figure 2 shows a method for performing an in-battery equalization process.
  • the transfer unit 12 has a first DC bus 7 and a second DC bus 8 . 1 shows one of the two conductors of each DC bus. It is possible for the first DC bus 7 and the second DC bus 8 to use a common second conductor (not shown).
  • the transfer unit 12 has a DC/DC converter 6 which is set up to transfer power between the first DC bus 7 and the second DC bus 8 . The power transfer via the DC/DC converter 6 can take place bidirectionally.
  • a number of battery racks 1 can be connected to the transfer unit 12 via a switching unit 5 which has a number of switches. The battery racks 1 are connected in parallel to one another via the first DC bus 8 .
  • Each battery rack 1 has a plurality of cell sections 2 and optionally a battery management system 3 .
  • the cell sections 2 of a battery rack 1 are connected in series.
  • the battery management system 3 manages the cell sections 2 and controls charging and/or discharging processes, for example.
  • Cell sections 2 can have a plurality of cells which can be connected in series and/or in parallel within the cell section 2 .
  • An inverter bridge 9 can be connected to the first DC bus 7 of the transfer unit 12 and can be used to exchange electrical power with an AC grid 10 .
  • the inverter bridge 9 can be contained in an inverter which can be operated in grid-forming and/or grid-commutated mode.
  • the transfer unit 12 can be separated from the inverter bridge 9 by an isolating switch 13 .
  • the power exchange of the transfer unit 12 with the AC grid 10 via the inverter bridge 9 can take place bidirectionally, so that the transfer unit 12 connected battery racks 1 can be charged via the inverter bridge 9 with electrical power from the AC grid 10 and/or can feed electrical power into the AC grid 10 via the inverter bridge 9 .
  • the communication link can be in the form of a communication bus 4, for example, as shown in FIG.
  • Other communication links, wired and/or wireless, are possible.
  • the battery management systems 3 can be designed to recognize and/or carry out a balancing requirement of the associated battery rack 1 . Due to the recognized need, an affected battery rack 1 can be separated from the first DC bus 7 by the switching unit 5 and connected to the second DC bus 8 .
  • the battery management system 3 can start and carry out the balancing process within the battery. In the process, the states of charge of the individual cell sections 2 are matched to one another.
  • power can be exchanged with the first DC bus 7 via the DC/DC converter 6 in order to adjust the state of charge of the battery rack 1, which is connected to the second DC bus 8, to the state of charge to match those battery racks 1 that are connected to the first DC bus 7 and track energy that may be necessary for the compensation process.
  • the rated power of the DC/DC converter 6 can be significantly lower than the rated power of the inverter bridge 9 and, for example, only be up to 20% of the same.
  • the affected battery rack 1 can be separated again from the second DC bus 8 via the switching unit 5 and connected to the first DC bus 7 .
  • the optional control unit 11 can be provided to receive a compensation requirement identified by the battery management systems 3 via the communication bus 4 and in turn to separate the affected battery rack 1 from the first DC bus 7 via the switching unit 5 and to the second DC bus 8 to connect.
  • the compensation process and the adjustment process can also be matched to one another via the control unit 11 .
  • control unit 11 can be connected to the switching unit 5 and the DC/DC converter 6 via the communication bus 4 and control them. After the compensation process and the adjustment process have been carried out, the control unit 11 can arrange for the affected battery rack 1 to be separated again from the second DC bus 8 via the switching unit 5 and connected to the first DC bus 7 .
  • the inverter bridge 9 and/or the isolating switch 13 can also be connected to the communication bus 4 .
  • the affected battery rack 1 can have a state of charge that differs from the state of charge of the remaining battery racks 1. Direct connection of this battery rack 1 to the first DC bus 7 with the other battery racks 1 should therefore be avoided because of the compensating currents that then occur. It is therefore advantageous to adjust the state of charge of the affected battery rack 1 to the state of charge of the other battery rack 1 in an equalization process via a power exchange via the DC/DC converter 6 before it is separated again from the second DC bus 8 and is connected to the first DC bus 7 in parallel with the other battery racks 1. Such an adjustment process relates to the adjustment of states of charge between different battery racks 1, and therefore the DC voltages.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a method for carrying out a battery-internal equalization process, in which the state of charge of cell sections 2 of at least one battery rack 1 can be equalized, for example in a system shown in FIG.
  • the at least one battery rack 1 is disconnected from the first DC bus 7 and connected to the second DC bus 8 in S1. After the at least one battery rack 1 has been connected to the second DC bus 8, the battery-internal compensation process is initiated in S2.
  • the control unit 11 shown in FIG. 1 can be designed and set up to carry out the method. For this purpose, it can communicate, for example, via the communication bus 4 with the battery management systems 3, the DC/DC converter 6, the inverter bridge 9 and/or the switching unit 5 and control the elements mentioned accordingly.
  • the isolating switch 13 can be controlled by the control unit 11 in order to separate the transfer unit 12 from the inverter bridge. Alternatively, the switching state of the isolating switch 13 can be transmitted to the control unit 11 .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die Anmeldung beschreibt eine Transfereinheit (12) mit einem ersten DC-Bus (7), über den eine Mehrzahl von Batterie-Racks (1) mit einer Wechselrichterbrücke (9) zu einem ersten Leistungsaustausch mit einem AC-Netz (10) verbindbar sind. Die Transfereinheit (12) weist einen zweiten DC-Bus (8) auf, der über einen DC/DC-Wandler (6) mit dem ersten DC-Bus (7) verbunden ist, wobei der DC/DC-Wandler (6) gegenüber der Nennleistung der Wechselrichterbrücke (9) eine um mindestens einen Faktor 5 geringere Nennleistung aufweist. Die Transfereinheit (12) ist dazu eingerichtet, zumindest ein Batterie-Rack (1) der Mehrzahl von Batterie-Racks (1) zur Durchführung eines batterieinternen Ausgleichsvorgangs vom ersten DC-Bus (7) zu trennen und mit dem zweiten DC-Bus (8) zu verbinden. Die Anmeldung beschreibt außerdem ein System mit Transfereinheit und ein Verfahren zum Durchführen eines batterieinternen Ausgleichsvorgangs.

Description

Transfereinheit, System und Verfahren zum Durchführen eines batterieinternen
Ausgleichsvorgangs
Technisches Gebiet
In einem Batterie-Wechselrichtersystem können eine Mehrzahl von Batterie-Racks über einen ersten DC-Bus mit einer Wechselrichterbrücke verbunden sein.
Hintergrund
Batterie-Wechselrichtersysteme können eine Anzahl über einen DC-Bus parallel geschalteter Batterie-Racks umfassen, die über eine Wechselrichterbrücke mit einem angeschlossenen AC-Netz Leistung austauschen können. Ein Batterie-Rack bezeichnet hierbei eine Anordnung von einzelnen Zellen oder Zellabschnitten - auch Modul oder Pack genannt - , die seriell und gegebenenfalls auch parallelgeschaltet sind, und optional von einem Batterie- Managementsystem verwaltet werden können. Wechselrichterbrücken können in Wechselrichtern enthalten sein, die in Batterie- Wechselrichtersystemen sowohl als netzbildende als auch als netzgeführte Wechselrichter eingesetzt werden können. Zellabschnitte können mehrere Zellen aufweisen, die innerhalb des Zellabschnittes seriell und/oder parallelgeschaltet sein können.
Im Laufe des Betriebs stellen sich durch zyklisches Laden und Entladen der Zellen Unterschiede im Ladezustand zwischen den Zellen oder zwischen Zellabschnitten eines Batterie-Racks ein, so dass gelegentlich ein Ausgleichsvorgang eingeleitet werden muss, um die Ladezustände der Zellen einander wieder anzugleichen, beziehungsweise insbesondere auch, um den Ladezustand genauer abschätzen zu können.
Es ist möglich, das betroffene Batterie-Rack während eines solchen Ausgleichsvorgangs aus der Parallelschaltung der Batterie-Racks an dem DC-Bus herauszunehmen. Dann steht die Kapazität des Batterie-Racks für das System nicht zur Verfügung. Am Ende des Ausgleichsvorgangs hat das betroffene Batterie-Rack einen Ladezustand, der sich von dem Ladezustand der übrigen Racks unterscheidet. Ein direktes Zuschalten dieses Batterie- Racks auf den DC-Bus mit den anderen Batterie-Racks sollte deshalb wegen der dann auftretenden Ausgleichsströme vermieden werden. Es ist daher vorteilhaft, den Ladezustand des betroffenen Batterie-Racks dem Ladezustand der anderen Batterie-Racks anzugleichen, bevor es an dem DC-Bus wieder parallel zu den anderen Batterie-Rack geschaltet wird. Ein solcher Angleichsvorgang betrifft dabei das Angleichen von Ladezuständen zwischen verschiedenen Batterie-Racks. Ein Ausgleichsvorgang betrifft den batterieinternen Ausgleichsvorgang von Ladzuständen von Zellen oder Zellabschnitten einer Batterie-Racks. Nach einem batterieinternen Ausgleichsvorgang, einem Angleichsvorgang an den Ladezustand der anderen Batterie-Racks und einem darauffolgenden Zuschalten an den DC-Bus ist das Batterie-Rack wieder operativ verfügbar.
Es ist denkbar, Batterie-Racks über jeweils einen eigenen DC/DC- Wandler an einen DC-Bus zu koppeln.
Es ist möglich, ein ausgleichsbedürftiges Batterie-Rack abzukoppeln, zu warten, bis beispielsweise das Batteriemanagementsystem der Batterie-Racks den batterieinternen Ausgleich durchgeführt hat, und den Ladezustand der übrigen Batterie-Racks im Rahmen der Betriebsführung des Systems dem Ladezustand des ausgeglichenen Batterie-Racks anzugleichen, und dann das abgekoppelte Batterie-Rack wieder zuzuschalten. Hier steht über einen Zeitraum ein System mit verringerter Kapazität zur Verfügung.
Es ist weiterhin möglich, das gesamte System für batterieinterne Ausgleichsvorgänge der Batterie-Racks außer Betrieb zu nehmen. Für diesen Fall können redundante Systeme vorgesehen sein, um den Betrieb der Anlage sicherzustellen.
Solche Vorgehensweisen sind in der Schrift US 2011/0127964 A1 beschrieben, in dem eine Mehrzahl von Batterieeinheiten wahlweise über Schalter oder über Spannungswandler mit einem Leistungswandler verbunden werden können. Zur Durchführung eines Ausgleichsvorgangs zwischen Zellen der Batterieeinheiten werden diese von dem Leistungswandler temporär durch Öffnen des entsprechenden Schalters getrennt beziehungsweise verhindert der Spannungswandler einen Stromfluss.
In manchen Fällen ist es nützlich beziehungsweise in vielen Fällen sogar notwendig, für den Ausgleichsvorgang dem Batterie-Rack zusätzliche Energie zuzuführen, beispielsweise alle Zellen voll zu laden und dabei den Ausgleichsvorgang durchzuführen. Dann reicht es nicht aus, ein Batterie-Rack aus dem Verbund herauszunehmen, sondern es muss aktiv durch die Wechselrichterbrücke Energie zugeführt werden. Das kann für einen ganzen Verband oder alternativ auch für einen Teil des Batteriesystems erfolgen. In beiden Fällen steht die Wechselrichterbrücke, beziehungsweise der Wechselrichter für den regulären Betrieb des Batterie-Wechselrichtersystems nicht zur Verfügung.
Es ist somit ein Aspekt der Erfindung, eine Transfereinheit aufzuzeigen, mit der ein Batterie- Wechselrichtersystem mit einer Mehrzahl von Batterie-Racks erstellt werden kann, in dem ein Ausgleichsvorgang der Batterie-Racks mit möglichst geringer Rückwirkung auf die Kapazität der Bereitstellung von Leistung in beiden Richtungen realisiert werden kann. Weitere Aspekte der Erfindung beziehen sich auf ein System beziehungsweise ein Verfahren zum Durchführen eines Ausgleichsvorgangs mit dem Ziel einer geringen Rückwirkung auf die Leistungsbereitstellungskapazität.
Das Kürzel DC (engl direct current) steht in dieser Anmeldung für Gleichstrom oder Gleichspannung und AC (engl alternating current) für Wechselstrom oder Wechselspannung.
Beschreibung
Beschrieben wird eine Transfereinheit für ein Batterie-Wechselrichtersystem. Die Transfereinheit weist einen ersten DC-Bus auf, über den eine Mehrzahl von Batterie-Racks mit einer Wechselrichterbrücke zu einem ersten Leistungsaustausch mit einem AC-Netz verbindbar sind. Weiter weist die Transfereinheit einen zweiten DC-Bus auf, der über einen DC/DC- Wandler mit dem ersten DC-Bus verbunden ist, wobei der DC/DC-Wandler gegenüber der Nennleistung der Wechselrichterbrücke eine um mindestens einen Faktor 5 geringere Nennleistung aufweist. Die Transfereinheit ist dazu eingerichtet, zumindest ein Batterie-Rack der Mehrzahl von Batterie-Racks zur Durchführung eines batterieinternen Ausgleichsvorgangs vom ersten DC-Bus zu trennen und mit dem zweiten DC-Bus zu verbinden. Ein Batterie-Rack kann mehrere Zellen oder Zellabschnitte umfassen, welche in Reihe oder parallel geschaltet sein können.
Die Transfereinheit weist somit zwei getrennte DC-Busse für Batterie-Racks auf. Die an den ersten DC-Bus angeschlossenen Batterie-Racks können dabei den Betrieb absichern, der erste DC-Bus dient als sogenannte Hauptschiene. An den zweiten DC-Bus kann ein Batterie- Rack oder es können wenige Batterie-Racks, beispielsweise zum Zwecke des batterieinternen Ausgleichsvorgangs, temporär angekoppelt werden, der zweite DC-Bus dient als sogenannte Nebenschiene. Der erste DC-Bus und der zweite DC-Bus weisen jeweils eine DC+ und einen DC- Leiter auf. Optional können der erste DC-Bus und der zweite DC-Bus einen der Leiter, den DC+ oder den DC- Leiter, gemeinsam nutzen.
Die Wechselrichterbrücke eines Wechselrichters ist vorgesehen, mit der Transfereinheit verbunden zu werden und mit dieser zusammenzuwirken. Dabei sind die Transfereinheit und die Wechselrichterbrücke ausgelegt, miteinander zum ersten Leistungsaustausch zusammenzuwirken. Die über den DC/DC-Wandler ausgetauschte Leistung ist dabei im Vergleich zu der über die Wechselrichterbrücke ausgetauschten Leistung gering. Es kann ein DC/DC-Wandler mit relativ kleiner Nennleistung ausreichend sein. Maximal 20% der Nennleistung der Wechselrichterbrücke kann vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise für ein System mit zehn Batterie-Racks vorgesehen sein, welches einen gleichzeitigen Ausgleichsvorgang von zwei Batterie-Racks am zweiten DC-Bus ermöglichen soll. Mit anderen Worten kann das Verhältnis zwischen Nennleistung des DC/DC-Wandlers und Nennleistung der Wechselrichterbrücke kleiner oder gleich dem Verhältnis zwischen der Anzahl der gleichzeitig an den zweiten DC-Bus anschließbaren Batterie-Racks und der Gesamtzahl der Batterie-Racks gewählt werden. Alternativ kann das Verhältnis zwischen Nennleistung des DC/DC-Wandlers und Nennleistung der Wechselrichterbrücke kleiner oder gleich dem Reziproken der Gesamtzahl der Batterie-Racks gewählt werden. Der DC/DC- Wandler kann bidirektional sein. Bei einer höheren Anzahl von Batterie-Racks im System kann eine geringe Nennleistung des DC/DC-Wandlers erforderlich sein.
Dies ermöglicht, die Batterie-Racks an den ersten oder zweiten DC-Bus anzuschließen, ohne einen jeweiligen DC/DC-Wandler zwischen Batterie-Rack und DC-Bus vorsehen zu müssen beziehungsweise Batterie-Racks mit integriertem DC/DC-Wandler verwenden zu müssen. Durch die Verwendung von wandlerfreien Batterie-Racks können Kosten gespart werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Transfereinheit eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, über eine Schalteinheit zumindest ein Batterie-Rack der Mehrzahl von Batterie-Racks zur Durchführung des batterieinternen Ausgleichsvorgangs vom ersten DC-Bus zu trennen und mit dem zweiten DC-Bus zu verbinden. Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, nach Verbinden des zumindest einen Batterie-Racks mit dem zweiten DC-Bus den batterieinternen Ausgleichsvorgang zu initiieren, wobei während und/oder nach dem batterieinternen Ausgleichsvorgang ein zweiter Leistungsaustausch zwischen dem ersten DC-Bus und dem zweiten DC-Bus über den DC-DC- Wandler erfolgt, um ein Angleichen des Ladezustandes des zumindest einen Batterie-Racks mit dem Ladezustand der an den ersten DC-Bus angeschlossenen Batterie-Racks zu erreichen sowie die gegebenenfalls erforderliche zusätzliche Energie für diesen Ausgleichsvorgang zuzuführen. Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, nach dem Angleichen des Ladezustandes über eine Schalteinheit das zumindest eine Batterie-Rack vom zweiten DC-Bus zu trennen und mit dem ersten DC-Bus zu verbinden.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit der Transfereinheit eingerichtet, einen Bedarf des zumindest einen Batterie-Racks zur Durchführung des Ausgleichsvorgangs zu ermitteln oder eine Mitteilung darüber zu empfangen. Bevorzugt weist ein Batterie-Rack ein Batterie- Managementsystem auf, welches den Bedarf zur Durchführung des Ausgleichsvorgangs ermitteln kann und eine Mitteilung darüber an die Steuereinheit der Transfereinheit übermitteln kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit Aufgaben einer Batterie- Managementsystems übernehmen und beispielsweise den Bedarf zur Durchführung des Ausgleichsvorgangs ermitteln. Hierbei kann eine Prognose für einen zeitlichen Verlauf des ersten Leistungsaustausch berücksichtigt werden, um beispielsweise einen Bedarf zur Durchführung des Ausgleichsvorgangs vorzuziehen oder auf einen späteren Zeitpunkt zu verschieben. Das Batteriemanagement kann auch zentral für alle Racks erfolgen oder aber gestuft, mit einem individuellen Batterie-Management für jedes Rack und einem übergeordneten Batterie-Management für das Batteriesystem.
Ein System umfasst eine Mehrzahl von wandlerfreien Batterie-Racks und eine Transfereinheit, wobei die Mehrzahl von Batterie-Racks über den ersten DC-Bus mit der Wechselrichterbrücke zum ersten Leistungsaustausch mit einem AC-Netz verbindbar ist. In einem solchen System, welches beispielsweise ein Batterie-Wechselrichtersystem sein kann, gibt es zwei getrennte DC-Busse für Batterie-Racks. Der erste DC-Bus kann beispielsweise als Hauptschiene dienen und beispielsweise den Betrieb absichern. Der zweite DC-Bus kann beispielsweise als Nebenschiene dienen, an den ein oder wenige Batterie-Racks zum Zwecke des batterieinternen Ausgleichsvorgangs temporär angekoppelt werden können. Ein DC/DC-Wandler erlaubt einen gezielten zweiten Leistungsaustausch zwischen den DC-Bussen, der situationsbedingt mehreren Zwecken dienen kann.
Bei einem Verfahren zum Durchführen eines batterieinternen Ausgleichsvorgangs wird der Ladezustandes von Zellabschnitten zumindest eines Batterie-Racks in einem System mit Transfereinheit ausgeglichen. Das zumindest eine Batterie-Rack wird vom ersten DC-Bus getrennt und mit dem zweiten DC-Bus verbunden. Nach Verbinden des zumindest einen Batterie-Racks mit dem zweiten DC-Bus wird der batterieinterne Ausgleichsvorgang initiiert. Während oder nach dem batterieinternen Ausgleichsvorgang erfolgt ein zweiter Leistungsaustausch zwischen dem ersten DC-Bus und dem zweiten DC-Bus über den DC- DC- Wandler, um ein Angleichen des Ladezustandes des zumindest einen Batterie-Racks mit dem Ladezustand der an den ersten DC-Bus angeschlossenen Batterie-Racks zu erreichen und für den Ausgleichsvorgang notwendige Energie zuzuführen, wobei nach dem Angleichen des Ladezustandes ein Trennen des zumindest einen Batterie-Racks vom zweiten DC-Bus und ein Verbinden mit dem ersten DC-Bus erfolgt. Bevorzugt wird das Verfahren für zumindest ein Batterie-Rack einzeln durchgeführt.
In einer Ausführungsform wird das Verfahren für jedes der Mehrzahl der Batterie-Racks nacheinander durchgeführt. Die Durchführung des Verfahrens kann hierbei für einzelne Batterie-Racks oder in Gruppen durchgeführt werden. Auf diese Weise können alle Batterie- Racks der Mehrzahl von Batterie-Racks in ihrem batterieinternen Ladezustand ausgeglichen werden und danach an den Ladezustand der anderen Batterie-Racks angeglichen werden. Hierdurch kann die kontinuierliche Betriebsbereitschaft des Systems ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der zweite Leistungsaustausch zumindest zeitweise so gewählt, dass der Ausgleichsvorgang beschleunigt wird. Es ermöglicht einen schnelleren Ausgleichsvorgang und eine schnellere erneute Betriebsbereitschaft des zumindest einen Batterie-Racks. Diese Ausführungsform kann beispielsweise mit einer Ausführungsform des Verfahrens kombiniert werden, bei der der zweite Leistungsaustausch zumindest zeitweise während des Ausgleichsvorgangs erfolgt. In dieser Ausführungsform erfolgt dann der Ausgleichsvorgang während des zweiten Leistungsaustauschs zwischen dem ersten und zweiten DC-Bus über den DC/DC- Wandler und damit können Ausgleichsvorgang und zweiter Leistungsaustausch aufeinander abgestimmt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt der zweite Leistungsaustausch zumindest zeitweise derart, dass der erste Leistungsaustausch des Systems mit dem AC-Netz unterstützt wird. Zum Beispiel kann der Ausgleichsvorgang unterbrochen oder verlangsamt werden, um den ersten Leistungsaustausch mit dem AC-Netz aufrechtzuerhalten. Die kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die am ersten DC-Bus angeschlossenen Batterie-Racks die für den ersten Leistungsaustausch benötigte Leistung nicht vollständig aufbringen können.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der zweite Leistungsaustausch in Abhängigkeit von dem ersten Leistungsaustausch über die Wechselrichterbrücke so gewählt, dass ein Abschluss des Angleichens des Ladezustandes des zumindest einen Batterie- Racks mit den am ersten DC-Bus angeschlossenen Batterie-Racks zum Zeitpunkt des Abschlusses des Ausgleichsvorgangs oder möglichst kurz danach ermöglicht wird. Hierdurch können Ausgleichsvorgang und Angleichsvorgang aufeinander abgestimmt, bestenfalls sogar synchronisiert, werden, so dass die Zeitdauer, in der das zumindest eine Batterie-Rack nicht zur Verfügung steht, insgesamt möglichst kurz gehalten wird.
Die Initiative zum Start eines Ausgleichsvorgangs kann vom Batterie-Managementsystem des zumindest einen Batterie-Racks ausgehen oder von der Steuereinheit der Transfereinheit. Weitere Instanzen können vorgesehen sein, die die Initiierung des Ausgleichsvorgangs freigeben. Eine solche weitere Instanz kann beispielsweise eine Steuerung einer übergeordneten Anlage sein, der das Batterie-Wechselrichtersystem zugeordnet ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erkennt das zumindest eine Batterie-Rack einen Bedarf zur Durchführung des Ausgleichsvorgangs eigenständig und teilt dies der Transfereinheit mit. Das Erkennen kann beispielsweise durch das Batterie- Managementsystem durchgeführt werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst der mitgeteilte Bedarf Informationen zur Dringlichkeit der Durchführung des Ausgleichsvorgangs. Eine Dringlichkeit kann beispielsweise mit einem insgesamt besonders niedrigen Ladezustand des zumindest einen Batterie-Racks oder beispielsweise mit besonders großen Ungleichheiten von Ladungen von Zellabschnitten des zumindest einen Batterie-Racks Zusammenhängen. Es kann beispielsweise der Verlauf von Lade- Entladezyklen des zumindest einen Batterie-Racks berücksichtigt werden. Der berücksichtigte Verlauf kann beispielsweise ein konkreter historischer Verlauf sein und/oder ein erwarteter Verlauf eines bestimmten Batterie-Rack-Typs.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erkennt die Steuereinheit der Transfereinheit einen geeigneten Zeitpunkt zur Durchführung des Ausgleichsvorgangs und initiiert den Ausgleichsvorgang zu diesem Zeitpunkt. In den Erkennungsvorgang kann beispielsweise die von den einzelnen Batterie-Racks mitgeteilt Dringlichkeit und/oder die Kapazität der einzelnen Batterie-Racks einfließen. Hierbei kann sowohl ein Verlauf von Lade- Entladezyklen von einzelnen Batterie-Racks und/oder mehrerer Batterie-Racks berücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die aktuelle oder prognostizierte Betriebssituation des Batterie-Wechselrichtersystems und/oder einer übergeordneten Anlage berücksichtigt werden.
In einer Ausführungsform steuert das Batterie-Managementsystem des zumindest einen Batterie-Racks den Ablauf des Ausgleichsvorgangs und kommuniziert direkt oder indirekt mit der Steuereinheit der Transfereinheit und/oder einer Steuerung des DC/DC- Wandlers, damit eine gewünschte Wandlerleistung zur Unterstützung des Ausgleichsvorgangs bereitgestellt werden kann.
In einer Ausführungsform können Batterie- Racks von verschiedenen ersten DC-Bussen auf einen gemeinsamen zweiten DC-Bus geschaltet werden. Dies ist z.B. für einen Wechselrichter mit 3 Wechselrichterbrücken vorstellbar, bei dem jede Wechselrichterbrücke mit jeweils einem ersten DC-Bus verbindbar ist. Die Transfereinheit kann dann beispielsweise den zweiten DC-Bus mit jeweils einem der ersten Busse über den DC/DC- Wandler verbinden. Die Verbindung kann dauerhaft oder umschaltbar zwischen unterschiedlichen der ersten DC-Busse gestaltet sein, oder die Verbindung des zweiten DC- Busses zu mehreren oder allen der ersten DC-Busse kann jeweils über individuelle Wandler erfolgen. Die über den DC/DC-Wandler ausgetauschte Leistung ist dabei im Vergleich zu der über den Wechselrichter ausgetauschten Leistung gering.
Das Verfahren ermöglicht somit, dass unterschiedliche Zwecke zu unterschiedlichen Phasen nach oder während des Ausgleichsvorgangs verfolgt werden können:
Es kann ein beschleunigtes Angleichen des Ladezustands zwischen den Batterie-Racks der beiden Busse ermöglicht werden, um das zumindest eine Batterie-Rack schneller wieder zuschalten zu können.
Es kann ein Abbruch, ein Unterbrechen oder ein Verzögern des Ausgleichsvorgangs ermöglicht werden, falls die Betriebssituation einen Leistungsbedarf benötigt, den die Batterie-Racks des ersten Busses nicht vollständig erbringen können. Dabei wird der benötigte Leistungsbedarf durch den DC/DC- Wandler aus dem Batterie-Rack entnommen beziehungsweise diesem zugeführt. Nach dem Ende dieser Betriebssituation kann der Ausgleichsvorgang wieder aufgenommen werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Systems mit Transfereinheit und
Fig. 2 ein Verfahren zum Durchführen eines batterieinternen Ausgleichsvorgangs zeigt.
Figurenbeschreibung
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Batterie-Wechselrichtersystems mit einer Transfereinheit 12 dargestellt. Die Transfereinheit 12 weist einen ersten DC-Bus 7 und einen zweiten DC-Bus 8 auf. In Fig. 1 dargestellt ist jeweils ein Leiter der beiden Leiter eines jedes DC-Busses. Es ist möglich, dass der erste DC-Bus 7 und der zweite DC-Bus 8 einen gemeinsamen zweiten Leiter (nicht dargestellt) nutzen. Die Transfereinheit 12 weist einen DC/DC-Wandler 6 auf, der eingerichtet ist, Leistung zwischen dem ersten DC-Bus 7 und dem zweiten DC-Bus 8 zu transferieren. Der Leistungstransfer über den DC/DC-Wandler 6 kann bidirektional erfolgen. Über eine Schalteinheit 5, die mehrere Schalter aufweist, können mehrere Batterie-Racks 1 an die Transfereinheit 12 angeschlossen werden. Die Batterie- Racks 1 sind über den ersten DC-Bus 8 parallel zueinander geschaltet. Jedes Batterie-Rack 1 weist eine Mehrzahl von Zellabschnitten 2 und optional ein Batterie-Managementsystem 3 auf. Die Zellabschnitte 2 eines Batterie- Racks 1 sind in Serie geschaltet. Das Batterie- Managementsystem 3 verwaltet die Zellabschnitte 2 und steuert beispielsweise Lade- und/oder Entladevorgänge. Zellabschnitte 2 können mehrere Zellen aufweisen, die innerhalb des Zellabschnittes 2 seriell und oder parallelgeschaltet sein können.
An den ersten DC-Bus 7 der Transfereinheit 12 ist eine Wechselrichterbrücke 9 anschließbar, über die elektrische Leistung mit einem AC-Netz 10 ausgetauscht werden kann. Die Wechselrichterbrücke 9 kann in einem Wechselrichter enthalten sein, welcher netzbildend und/oder netzgeführt betrieben werden kann. Die Transfereinheit 12 kann durch einen Trennschalter 13 von der Wechselrichterbrücke 9 getrennt werden. Der Leistungsaustausch der Transfereinheit 12 mit dem AC-Netz 10 über die Wechselrichterbrücke 9 kann bidirektional erfolgen, so dass die mit der Transfereinheit 12 verbundenen Batterie-Racks 1 über die Wechselrichterbrücke 9 mit elektrischer Leistung aus dem AC-Netz 10 aufgeladen werden können und/oder über die Wechselrichterbrücke 9 elektrische Leistung in das AC-Netz 10 einspeisen können.
Es besteht eine Kommunikationsverbindung zwischen den Batterie-Managementsystemen 3, den Schaltern der Schalteinheit 5, dem DC/DC- Wandler 6, einer optionalen Steuereinheit 11 , dem Trennschalter 13 und der Wechselrichterbrücke. Die Kommunikationsverbindung kann beispielsweise wie in Fig. 1 dargestellt als Kommunikationsbus 4 ausgebildet sein. Es sind andere Kommunikationsverbindungen, drahtgebunden und/oder drahtlos, möglich.
Im Laufe des Betriebs von Batterie-Racks 1 können sich beispielsweise durch zyklisches Laden und Entladen der Zellen Unterschiede im Ladezustand zwischen den Zellen oder zwischen den Zellabschnitten 2 eines Batterie-Racks 1 einstellen. Dies kann einen Ausgleichsvorgang erfordern, bei dem die Ladezustände der Zellen einander wieder angeglichen werden. Solche Ausgleichsvorgänge können beispielsweise ca. einmal pro Woche erfolgen. Andernfalls könnte die Abschätzung der aktuell verfügbaren Energie in Form des Batterieladezustands über die Zeit immer ungenauer werden und einen weiteren Betrieb erschweren beziehungsweise nur mit Unsicherheiten über die Verfügbarkeit erlauben. Außerdem könnte die Gefahr der vorzeitigen Alterung von Zellen oder Zellabschnitten 2 bestehen.
Die Batterie-Managementsysteme 3 können ausgelegt sein, einen Ausgleichsbedarf des zugeordneten Batterie-Racks 1 zu erkennen und/oder durchzuführen. Aufgrund des erkannten Bedarfes kann ein betroffenes Batterie-Rack 1 durch die Schalteinheit 5 vom ersten DC-Bus 7 getrennt werden und mit dem zweiten DC-Bus 8 verbunden werden. Das Batterie-Managementsystem 3 kann den batterieinternen Ausgleichsvorgang starten und durchführen. Dabei werden die Ladezustände der einzelnen Zellabschnitte 2 aneinander angeglichen. Während des Ausgleichsvorgangs und/oder danach kann über den DC/DC- Wandler 6 ein Leistungsaustausch mit dem ersten DC-Bus 7 erfolgen, um den Ladezustand des Batterie-Racks 1 , das mit dem zweiten DC-Bus 8 verbunden ist, an den Ladezustand derjenigen Batterie-Racks 1 anzugleichen, die mit dem ersten DC-Bus 7 verbunden sind sowie eventuell für den Ausgleichsvorgang notwendige Energie nachzuführen. Die Nennleistung des DC/DC-Wandlers 6 kann hierfür wesentlich geringer sein als die Nennleistung der Wechselrichterbrücke 9 und beispielsweise nur bis zu 20% derselben betragen. Nach Durchführung von Ausgleichsvorgang und Angleichsvorgang kann das betroffene Batterie-Rack 1 über die Schalteinheit 5 wieder vom zweiten DC-Bus 8 getrennt werden und mit dem ersten DC-Bus 7 verbunden werden. Die optionale Steuereinheit 11 kann vorgesehen sein, einen von den Batterie- Managementsystemen 3 erkannten Ausgleichsbedarf über den Kommunikationsbus 4 zu empfangen und ihrerseits das betroffene Batterie-Rack 1 über die Schalteinheit 5 vom ersten DC-Bus 7 zu trennen und mit dem zweiten DC-Bus 8 zu verbinden. Über die Steuereinheit 11 können auch Ausgleichsvorgang und Angleichsvorgang aufeinander abgestimmt werden. Hierzu kann die Steuereinheit 11 über den Kommunikationsbus 4 mit der Schalteinheit 5 und den DC/DC-Wandler 6 verbunden sein und diese ansteuern. Nach Durchführung von Ausgleichsvorgang und Angleichsvorgang kann die Steuereinheit 11 veranlassen, dass das betroffene Batterie-Rack 1 über die Schalteinheit 5 wieder vom zweiten DC-Bus 8 getrennt und mit dem ersten DC-Bus 7 verbunden wird. Optional können auch die Wechselrichterbrücke 9 und/oder der Trennschalter 13 mit dem Kommunikationsbus 4 verbunden sein.
Am Ende des Ausgleichsvorgangs kann das betroffene Batterie-Rack 1 einen Ladezustand haben, der sich von dem Ladezustand der übrigen Batterie-Racks 1 unterscheidet. Ein direktes Zuschalten dieses Batterie-Racks 1 auf den ersten DC-Bus 7 mit den anderen Batterie-Racks 1 sollte deshalb wegen der dann auftretenden Ausgleichsströme vermieden werden. Es ist daher vorteilhaft, den Ladezustand des betroffenen Batterie-Racks 1 dem Ladezustand in einem Angleichsvorgang über einen Leistungsaustausch über den DC/DC- Wandler 6 dem Ladezustand der anderen Batterie-Racks 1 anzugleichen, bevor es wieder vom zweiten DC-Bus 8 getrennt wird und mit dem ersten DC-Bus 7 parallel zu den anderen Batterie-Racks 1 verbunden wird. Ein solcher Angleichsvorgang betrifft dabei das Angleichen von Ladezuständen zwischen verschiedenen Batterie-Racks 1 , mithin der DC-Spannungen.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Durchführen eines batterieinternen Ausgleichsvorgangs, bei dem der Ladezustand von Zellabschnitten 2 zumindest eines Batterie-Racks 1 beispielsweise in einem in Figur 1 dargestellten System ausgeglichen werden kann. Dabei wird in S1 das zumindest eine Batterie-Rack 1 vom ersten DC-Bus 7 getrennt und mit dem zweiten DC-Bus 8 verbunden. Nach Verbinden des zumindest einen Batterie-Racks 1 mit dem zweiten DC-Bus 8 wird in S2 der batterieinterne Ausgleichsvorgang initiiert. In S3 erfolgt während oder nach dem batterieinternen Ausgleichsvorgang von S2 ein Leistungsaustausch zwischen dem ersten DC-Bus 7 und dem zweiten DC-Bus 8 über den DC/DC-Wandler 6, um ein Angleichen des Ladezustandes des zumindest einen Batterie-Racks 1 mit dem Ladezustand der an den ersten DC-Bus 7 angeschlossenen Batterie-Racks 1 zu erreichen. Nach dem Angleichen des Ladezustandes erfolgt in S4 ein Trennen des zumindest einen Batterie-Racks 1 vom zweiten DC-Bus 8 und ein Verbinden des zumindest einen Batterie-Racks 1 mit dem ersten DC-Bus 7. Die in Fig. 1 dargestellt Steuereinheit 11 kann ausgelegt und eingerichtet sein, das Verfahren auszuführen. Hierfür kann sie beispielsweise über den Kommunikationsbus 4 mit den Batterie-Managementsystemen 3, dem DC/DC-Wandler 6, der Wechselrichterbrücke 9 und/oder der Schalteinheit 5 kommunizieren und die genannten Elemente entsprechend ansteuern. Zur Trennung der Transfereinheit 12 von der Wechselrichterbrücke kann der Trennschalter 13 durch die Steuereinheit 11 angesteuert werden. Alternativ kann der Schaltzustand des Trennschalters 13 an die Steuereinheit 11 übertragen werden.
Bezugszeichenliste
1 Batterie-Rack
2 Zellabschnitt
3 Batterie-Managementsystem
4 Kommunikationsbus
5 Schalteinheit
6 DC/DC-Wandler
7 DC-Bus
8 DC-Bus
9 Wechselrichterbrücke
10 AC-Netz 11 Steuereinheit 12 Transfereinheit 13 Trennschalter
S1 , S2, S3, S4 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche:
1. Transfereinheit (12) mit einem ersten DC-Bus (7), über den eine Mehrzahl von Batterie-Racks (1) mit einer Wechselrichterbrücke (9) zu einem ersten Leistungsaustausch mit einem AC-Netz (10) verbindbar sind, wobei die Transfereinheit (12) einen zweiten DC-Bus (8) aufweist, der über einen DC/DC- Wandler (6) mit dem ersten DC-Bus (7) verbunden ist, wobei der DC/DC-Wandler (6) gegenüber der Nennleistung der Wechselrichterbrücke (9) eine um mindestens einen Faktor 5 geringere Nennleistung aufweist, und die Transfereinheit (12) eine Steuereinheit (11) aufweist, die dazu eingerichtet ist, mittels einer Schalteinheit (5) zumindest ein Batterie-Rack (1) der Mehrzahl von Batterie-Racks (1) zur Durchführung eines batterieinternen Ausgleichsvorgangs vom ersten DC-Bus (7) zu trennen und mit dem zweiten DC-Bus (8) zu verbinden, nach Verbinden des zumindest einen Batterie- Racks (1) mit dem zweiten DC-Bus (8) den batterieinternen Ausgleichsvorgang zu initiieren, wobei während und/oder nach dem batterieinternen Ausgleichsvorgang ein zweiter Leistungsaustausch zwischen dem ersten DC-Bus (7) und dem zweiten DC-Bus (8) über den DC/DC-Wandler (6) erfolgt, um ein Angleichen des Ladezustandes des zumindest einen Batterie-Racks (1) mit dem Ladezustand der an den ersten DC-Bus (7) angeschlossenen Batterie- Racks (1) zu erreichen, und nach dem Angleichen des Ladezustandes über eine Schalteinheit (5) das zumindest eine Batterie-Rack (1) vom zweiten DC-Bus (8) zu trennen und mit dem ersten DC- Bus (7) zu verbinden.
2. Transfereinheit (12) nach Anspruch 1 , wobei die Steuereinheit (11) eingerichtet ist, einen Bedarf des zumindest einen Batterie-Racks (1) zur Durchführung des Ausgleichsvorgangs zu ermitteln oder eine Mitteilung darüber zu empfangen.
3. System, umfassend eine Mehrzahl von Batterie-Racks (1) und eine Transfereinheit (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Mehrzahl von Batterie-Racks (1) wandlerfreie Batterie-Racks sind und über den ersten DC-Bus (7) mit der Wechselrichterbrücke (9) zum ersten Leistungsaustausch mit einem AC-Netz (10) verbindbar sind.
4. Verfahren zum Durchführen eines batterieinternen Ausgleichsvorgangs, bei dem der Ladezustandes von Zellabschnitten (2) zumindest eines Batterie-Racks (1) in einem System nach Anspruch 3 ausgeglichen wird, wobei das zumindest eine Batterie-Rack (1) vom ersten DC-Bus (7) getrennt und mit dem zweiten DC-Bus (8) verbunden wird, wobei nach Verbinden des zumindest einen Batterie-Racks (1) mit dem zweiten DC-
Bus (8) der batterieinterne Ausgleichsvorgang initiiert wird, wobei während oder nach dem batterieinternen Ausgleichsvorgang ein zweiter
Leistungsaustausch zwischen dem ersten DC-Bus (7) und dem zweiten DC-Bus (8) über den DC/DC-Wandler (6) erfolgt, um ein Angleichen des Ladezustandes des zumindest einen Batterie-Racks (1) mit dem Ladezustand der an den ersten DC-
Bus (7) angeschlossenen Batterie-Racks (1) zu erreichen, wobei nach dem Angleichen des Ladezustandes ein Trennen des zumindest einen
Batterie-Racks (1) vom zweiten DC-Bus (8) und ein Verbinden mit dem ersten DC-
Bus (7) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, nacheinander durchgeführt für jedes der Mehrzahl der Batterie-Racks (1).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei der zweite Leistungsaustausch zumindest zeitweise während des Ausgleichsvorgangs erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der zweite Leistungsaustausch zumindest zeitweise derart erfolgt, dass der erste Leistungsaustausch des Systems mit dem AC-Netz (10) unterstützt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der zweite Leistungsaustausch in Abhängigkeit von dem ersten Leistungsaustausch über die Wechselrichterbrücke (9) gewählt wird, ein Abschluss des Angleichens des Ladezustandes zum Zeitpunkt des Abschlusses des Ausgleichsvorgangs oder möglichst kurz danach ermöglich.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das zumindest eine Batterie- Rack (1) einen Bedarf zur Durchführung des Ausgleichsvorgangs eigenständig erkennt und der Transfereinheit (12) mitteilt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der mitgeteilte Bedarf Informationen zur Dringlichkeit der Durchführung des Ausgleichsvorgangs umfasst.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Steuereinheit (11) der Transfereinheit (12) einen geeigneten Zeitpunkt zur Durchführung des Ausgleichsvorgangs erkennt und den Ausgleichsvorgang zu diesem Zeitpunkt initiiert.
EP22710513.7A 2021-02-23 2022-02-16 Transfereinheit, system und verfahren zum durchführen eines batterieinternen ausgleichsvorgangs Pending EP4298711A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021104236.4A DE102021104236A1 (de) 2021-02-23 2021-02-23 Transfereinheit, system und verfahren zum durchführen eines batterieinternen ausgleichsvorgangs
PCT/EP2022/053857 WO2022179916A1 (de) 2021-02-23 2022-02-16 Transfereinheit, system und verfahren zum durchführen eines batterieinternen ausgleichsvorgangs

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4298711A1 true EP4298711A1 (de) 2024-01-03

Family

ID=80780954

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22710513.7A Pending EP4298711A1 (de) 2021-02-23 2022-02-16 Transfereinheit, system und verfahren zum durchführen eines batterieinternen ausgleichsvorgangs

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230396078A1 (de)
EP (1) EP4298711A1 (de)
DE (1) DE102021104236A1 (de)
WO (1) WO2022179916A1 (de)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102956336B1 (ko) * 2021-11-03 2026-04-24 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 랙 관리 장치 및 그것의 동작 방법
US20240217366A1 (en) * 2023-01-04 2024-07-04 GM Global Technology Operations LLC Battery pack balancing for multiple battery pack systems using active load management
WO2024226312A1 (en) * 2023-04-27 2024-10-31 Enphase Energy, Inc. Storage system configured for use with an energy management system
US20250239868A1 (en) * 2024-01-18 2025-07-24 GM Global Technology Operations LLC Battery charge balancing

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5529402B2 (ja) 2008-08-13 2014-06-25 三菱重工業株式会社 蓄電システム
JP2011072153A (ja) * 2009-09-28 2011-04-07 Sanyo Electric Co Ltd 車両用電源装置及びこれを備える車両並びに車両用電源装置の容量均等化方法
JP5801176B2 (ja) * 2011-12-19 2015-10-28 株式会社東芝 蓄電装置及びその保守方法
JP2015532082A (ja) * 2012-08-08 2015-11-05 レッドフロー アールアンドディ プロプライエタリー リミテッドＲｅｄｆｌｏｗ Ｒ＆Ｄ Ｐｔｙ Ｌｔｄ 流動電解液電池保守バスシステムおよび方法
KR20140128468A (ko) * 2013-04-18 2014-11-06 에스케이이노베이션 주식회사 배터리 밸런싱 장치 및 방법
DE102014208316A1 (de) 2014-05-05 2015-11-05 Siemens Aktiengesellschaft Erfassen der Betriebsführung eines Batteriespeichers
CN112068017B (zh) * 2019-05-24 2023-04-18 凹凸电子（武汉）有限公司 电池管理系统及电池管理系统中的断线检测方法
JP7593711B2 (ja) * 2020-06-25 2024-12-03 ミルウォーキー エレクトリック ツール コーポレイション マルチベイ電源の充電均衡
GB2610000B (en) * 2021-08-20 2024-02-07 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd Cell balancing
EP4160855A1 (de) * 2021-09-29 2023-04-05 Volvo Truck Corporation Verfahren zum betrieb einer schaltanordnung
KR102956336B1 (ko) * 2021-11-03 2026-04-24 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 랙 관리 장치 및 그것의 동작 방법
KR20230081153A (ko) * 2021-11-30 2023-06-07 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 장치 및 밸런싱 방법
US20250337254A1 (en) * 2022-06-06 2025-10-30 Energywith Co., Ltd. Battery pack charging method and power storage system
KR102938418B1 (ko) * 2022-06-13 2026-03-12 스탠다드에너지(주) 에너지 조절을 위한 배터리　관리 시스템
US20250239868A1 (en) * 2024-01-18 2025-07-24 GM Global Technology Operations LLC Battery charge balancing

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022179916A1 (de) 2022-09-01
DE102021104236A1 (de) 2022-08-25
US20230396078A1 (en) 2023-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2022179916A1 (de) Transfereinheit, system und verfahren zum durchführen eines batterieinternen ausgleichsvorgangs
EP3521099B1 (de) Ladesystem mit mindestens einer ladesäule für elektrofahrzeuge und verfahren zum laden eines oder mehrerer elektrofahrzeuge
WO2019076480A1 (de) Laden eines energiespeichers
DE102017210611B4 (de) Elektrische Energieliefervorrichtung mit einer Stromschienenmatrix sowie Verfahren zum Betreiben der Energieliefervorrichtung
WO2021089281A1 (de) Mehrspannungs-speichersystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes fahrzeug
EP2147495A2 (de) Verfahren zur steuerung parallel geschalteter ersatzstromquellen und vorrichtung mit parallel geschalteten ersatzstromquellen
EP4052321B1 (de) Verfahren zum aufladen und/ oder entladen eines wiederaufladbaren energiespeichers
EP3463968A1 (de) Fahrzeugbordnetz mit wechselrichter, energiespeicher, elektrischer maschine und gleichstrom-übertragungsanschluss
WO2018233956A1 (de) Elektrische energieliefervorrichtung mit einer vielzahl von nutzeinheiten, die zu strängen verschaltet sind, sowie verfahren zum betreiben der energieliefervorrichtung
DE102017210617A1 (de) Elektrische Energieliefervorrichtung mit Stromschienenmatrix sowie Verfahren zum Betreiben der Energieliefervorrichtung
DE102020209673A1 (de) Ladesäule zum Laden eines Stromspeichers eines Elektrofahrzeugs
DE102022212444A1 (de) Gleichspannungswandleranordnung, Mehrspannungsnetz, elektrisches Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsnetzes
WO2020007809A1 (de) Energieerzeugungsanlage, wechselrichter und verfahren zur vorladung von gleichspannungs-zwischenkreisen von wechselrichtern
EP2777129B1 (de) Ladeeinrichtung
WO2018233952A1 (de) Elektrische energieliefervorrichtung mit einer vielzahl von austauschbaren nutzeinheiten sowie verfahren zum betreiben einer solchen energieliefervorrichtung
DE102020206520A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems
DE102015007264B4 (de) Schnelles Übertragen von elektrischer Energie von einer Ladestation zu einem Verbraucher
WO2021190917A1 (de) Verfahren, system und vorrichtung zum versorgen eines verbrauchers mit elektrischer energie
DE102010041028A1 (de) Energieversorgungsnetz und Verfahren zum Laden mindestens einer als Energiespeicher für einen Gleichspannungszwischenkreis dienenden Energiespeicherzelle in einem Energieversorgungsnetz
WO2015000725A1 (de) Energiespeichersystem mit erhöhter abgegebener elektrischer leistung
DE102019203517B4 (de) Verfahren zur Energieversorgung von Verbrauchern eines Bordnetzes für ein Fahrzeug, sowie ein Bordnetz für ein Fahrzeug
DE102020214760A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems und Energiespeichersystem
EP3832843A1 (de) Batteriebetriebenes objekt und verfahren zum betreiben des batteriebetriebenen objekts
DE102015200259B4 (de) Batteriesystem mit einem oder mehreren Strängen, die jeweils mehrere in Reihe zuschaltbare Batteriemodule umfassen, wobei mindestens ein Batteriemodul jedes Stranges zum Versorgen eines Niedervoltnetzes mit elektrischer Energie vorgesehen ist
DE102023123929B3 (de) Verfahren zum Bereitstellen hoher Leistung am Nebenversorgungsabgriff eines modularen Multilevelkonverters

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230830

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R079

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H02J0007000000

Ipc: H02J0007500000