WO2014114393A1

WO2014114393A1 - Ansteuervorrichtung für ein elektrisches energiespeichersystem

Info

Publication number: WO2014114393A1
Application number: PCT/EP2013/075462
Authority: WO
Inventors: Joerg Ziegler; Hendrik Boedeker; Thomas Plum; Rene Pohlemann
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-07-31
Also published as: EP2949021A1; CN104937808B; EP2949021B1; CN104937808A; DE102013201221A1

Abstract

Ansteuervorrichtung (100) für eine elektrische Energiespeichereinrichtung (200), aufweisend: - eine Steuerungseinrichtung (10); - einen ersten Anschluss (11) für einen Gleichspannungserzeuger (30); - einen zweiten Anschluss (12) für elektrische Wechselspannung; - wenigstens zwei Anschlüsse (17, 18) für die Energiespeichereinrichtung (200); - eine zwischen dem ersten Anschluss (11) und dem zweiten Anschluss (12) verschaltete Spannungswandlereinrichtung (13); - eine mit einem Zwischenkreis der Spannungswandlereinrichtung (13) verschaltete Laderegelungseinrichtung (15); - eine mit der Laderegelungseinrichtung (15) verschaltete Umschalteinrichtung (16), mittels der ein Ausgang der Laderegelungseinrichtung (15) zwischen den Anschlüssen (17, 18) umschaltbar ist; und - eine Management-Mastereinrichtung (14a), mittels der in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Energiespeichereinrichtung (200) ein Ladeverfahren für die Energiespeichereinrichtung (200) an die Laderegelungseinrichtung (15) vorgebbar ist, wobei die Umschalteinrichtung (16) entsprechend ansteuerbar ist.

Description

Beschreibung

Titel

Ansteuervorrichtung für ein elektrisches Energiespeichersystem Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für eine elektrische Energiespeichereinrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichersystems.

Stand der Technik

Im Stand der Technik sind kombinierte Systeme mit einem Gleichspannungserzeuger, beispielsweise einer Fotovoltaikanlage und einem daran angekoppelten elektrochemischem Energiespeicher bekannt. Dabei kommen als Energiespeichersysteme unterschiedliche Systeme zum Einsatz, z.B. Bleibatterien oder Lithium-Ionen-Batterien.

DE 21 2010 000 081 U1 offenbart ein modulares Batteriemanagementsystem zum Verwalten mehrerer Batterien und zum Betreiben einer Last. Gemäß einem Aspekt enthält das System mehrere Batteriemanagement-Steuerungsmodule, mehrere bidirektionale Spannungsumsetzermodule, die jeweils mit den Batterien verbunden sind und mit den Batteriemanagement-Steuerungsmodulen verbunden sind, wobei die bidirektionalen

Spannungsumsetzermodule miteinander parallel geschaltet sind; und mehrere Energiespeichermodule, die jeweils mit den bidirektionalen Spannungsumsetzermodulen parallel geschaltet sind und mit der Last verbunden sind. Die bidirektionalen Spannungsumsetzermodule sind dafür konfiguriert, elektrische Energie von den Batterien zu der Last oder von den Energiespeichermodulen zu den Batterien übertragen. Die Batteriemanagement-

Steuerungsmodule sind dafür ausgebildet, ein vorgegebenes Programm auf der Grundlage der Zustandsinformationen jeder Batterie auszuführen und die bidirektionalen

Spannungsumsetzermodule zu steuern. Offenbart ist ferner, dass Batteriepacks alle Arten von Batterien enthalten können, zum Beispiel Blei-Säure-Batterien oder Lithium-Ionen- Batterien. Es besteht ein Bedürfnis nach einer universell einsetzbaren Ansteuervorrichtung für ein elektrochemisches Batteriespeichersystem, welches von einer Technologie des elektrochemischen Batteriespeichers unabhängig ist. Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Ansteuervorrichtung für eine elektrische Energiespeichereinrichtung, aufweisend:

- eine Steuerungseinrichtung;

- einen ersten Anschluss für einen Gleichspannungserzeuger;

- einen zweiten Anschluss für elektrische Wechselspannung;

- wenigstens zwei Anschlüsse für die Energiespeichereinrichtung;

- eine zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verschaltete

Spannungswandlereinrichtung;

- eine mit einem Zwischenkreis der Spannungswandlereinrichtung verschaltete Laderegelungseinrichtung;

- eine mit der Laderegelungseinrichtung verschaltete Umschalteinrichtung, mittels der ein Ausgang der Laderegelungseinrichtung zwischen den Anschlüssen umschaltbar ist; und

- eine Management-Mastereinrichtung, mittels der in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Energiespeichereinrichtung ein Ladeverfahren für die Energiespeichereinrichtung an die

Laderegelungseinrichtung vorgebbar ist, wobei die Umschalteinrichtung entsprechend ansteuerbar ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichersystems mit einer Ansteuervorrichtung und wenigstens einem an die Ansteuervorrichtung angeschlossenen Energiespeichermodul bereitgestellt, das folgende Schritte aufweist:

- Ermitteln eines Betriebszustands des Energiespeichermoduls;

- Übermitteln von wenigstens einem Wert des Betriebszustands an eine innerhalb der Ansteuervorrichtung angeordnete Management-Mastereinrichtung; und

- mittels der Management-Mastereinrichtung gesteuertes Betreiben des Energiespeichermoduls entsprechend einer Technologie und/oder eines Betriebszustands des Energiespeichermoduls. Bevorzugte Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Steuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Management-Mastereinrichtung die Ladereglungseinrichtung derart steuerbar ist, dass mittels der Laderegelungseinrichtung ein entsprechend der Technologie des Energiespeichermoduls ausgebildetes Ladeverfahren bereitstellbar ist. Dadurch kann ein intelligentes und schonendes Betreiben der verschiedenen elektrochemischen Energiespeicher je nach ihrem Verbrauchs-, Energieerzeugungs-, Alterungszustand bereitgestellt werden. Zusätzlich kann eine Selektion eines elektrischen Energiespeichers auch erst nach einer gewissen Betriebsdauer erfolgen, wodurch eine Systemunabhängigkeit hinsichtlich der Energiespeichertechnologie unterstützt ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Umschalteinrichtung entsprechend einer elektrischen Energiebilanz der Energiespeichermodule zwischen den Energiespeichermodulen umgeschaltet werden kann. Auch dadurch ist ein effizientes Betreiben der Ener- giespeichermodule unterstützt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Ansteuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Laderegelungseinrichtung im Wesentlichen verzögerungsfrei ein spezifisches Ladeverfahren für die Energiespeichermodule bereitstellbar ist. Auf diese Weise sind vorteilhaft technologisch unterschiedliche Energiespeichermodule optimal aufladbar.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten des Energiespeichermoduls mittels einer Kommunikationsschnittstelle an die Management-Mastereinrichtung übertragbar sind. Dadurch ist eine sichere und schnelle Übertragung der Betriebsdaten zwischen dem Energiespeichermodul und der Management-Mastereinrichtung unterstützt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Management-Mastereinrichtung in maschinenlesbarer Form hinterlegte Betriebsdaten des Energiespeichermoduls verarbeiten kann. Vorteilhaft ist dadurch für Batterien, die lediglich Sensorik (z.B. Temperatur-, Strom-, Spannungssensor) und keine Elektronik aufweisen, eine scanbare Form von Betriebsdaten bereitgestellt. Vorteilhaft wird dadurch ein automatisiertes Einlesen ermöglicht und eine Eingabe von Betriebsdaten weitestgehend automatisiert. Vorteilhaft wird dadurch eine sofortige Betriebsbereitschaft (engl. Plug-und-Play) der Ansteuervorrichtung ermöglicht. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Betriebsdaten in dem Energiespeichermodul mittels einer Kodierungseinrichtung hinterlegt sind. Dies bietet den Vorteil eines Verwendens einer bewährten digitalen Informationsspeicherung.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Daten eines Ladeverfahrens vom Energiespeichermodul zur Management-Mastereinrichtung übertragbar sind. Vorteilhaft ist es dadurch möglich, eine Plausibilisierung von Batterietypen vorzunehmen, wodurch eine Betriebssicher- heit vorteilhaft erhöht ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Management-Mastereinrichtung innerhalb der Ansteuervorrichtung eine DC-Kopplung oder eine AC-Kopplung an die Spannungswandlereinrichtung aufweist. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, ein bereits vorhandenes Gleich- spannungserzeugungssystem einfach auf ein Batteriespeichersystem nachzurüsten, da eine AC-Ankopplung einfach möglich ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Übertragen eines Ladeverfahrens vom Energiespeichermodul an die Management-

Mastereinrichtung durchgeführt wird. Dadurch ist ein individuelles Laden des jeweils angeschalteten Energiespeichermoduls unterstützt.

Vorteile der Erfindung

Als besonders vorteilhaft wird bei der Erfindung angesehen, dass sie eine Verwendung unterschiedlicher Batterietypen bzw. unterschiedlicher Batterietechnologien ermöglicht. Dies ist dadurch möglich, dass ein Management-Mastersystem in die Ansteuerungsvor- richtung verlagert ist, wodurch unterschiedlichste Technologien von angeschlossenen Energiespeichermodulen gehandhabt werden können. Die Management-Mastereinrichtung innerhalb der Ansteuervorrichtung stellt gewissermaßen eine ausgelagerte Intelligenz zur„intelligenten" Behandlung der angeschlossenen Energiespeichermodule dar. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine höhere Flexibilität bezüglich Speicherkapazität und Batterietechnologie, da das erfindungsgemäße System sowohl mit einer Batterie, als auch mit zwei Batterien gleichen oder unterschiedlichen Typs betrieben werden kann.

Dadurch kann vorteilhaft für jeden an die Laderegelungseinrichtung angeschalteten Ener- giespeicher ein individuelles Ladeverfahren zum Laden des Energiespeichers verwendet werden.

Durch die Möglichkeit der dynamischen, batteriezustandsabhängigen Umschaltung zwi- sehen den zwei Batterien gleichen oder unterschiedlichen Typs ist ein batterieschonender und damit lebensdauerverlängernder Betrieb der Batterien möglich.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich durch die automatische Adaption bzw. durch die Autoparametrierung des Batteriemanagementsystems entsprechend dem vorhande- nen Batterietyp. Damit trägt die Erfindung maßgeblich zu einer Fehlervermeidung bei, da eine manuelle Anpassung bzw. eine manuelle Parametrierung des Systems vermieden wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise als detailgetreue elektrische Schaltbilder zu verstehen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild eines elektrischen Energiespeichersystems für eine Bleibatterie;

Fig. 2 ein prinzipielles Blockschaltbild eines elektrischen Energiespeichersystems für eine Lithium-Ionen-Batterie;

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung eines Batteriemanagementsystems für eine Lithium-Ionen-Batterie; Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform

erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung;

Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung einer zweiten Ausführungsform

erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung; und

Fig. 6 ein prinzipielles Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; Ausführungsformen der Erfindung

Begriffsbestimmung

Die Begriffe Batterie, Energiespeicherzelle, Energiespeichermodul und Energiespeicher- System werden nachfolgend als Einrichtungen verstanden, mittels denen elektrische Energie auf elektrochemischem Wege speicherbar ist und die wiederaufladbar sind.

Nachdem ein Energiespeichermodul eine Ansammlung mehrerer Energiespeicherzellen darstellt, und ein Energiespeichersystem eine Ansammlung mehrerer Energiespeichermodule darstellt, sind für die Belange der vorliegenden Erfindung die genannten Begriffe funktional in diesem Sinn zu verstehen.

Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines elektrischen Energiespeichersystems 100. Das elektrische Energiespeichersystem 100 weist eine Ansteuervorrichtung 1 mit einem ersten Anschluss 11 für einen Gleichspannungserzeuger 30 (beispielsweise eine Fotovoltaikanlage oder ähnliches) auf. Mittels des Gleichspannungserzeugers 30 wird elektrische Gleichspannung erzeugt und der Ansteuervorrichtung 1 zugeführt. Die elektrische Gleichspannung wird innerhalb der Ansteuervorrichtung 1 einer

Spannungswandlereinrichtung 13 zugeführt, die einen bidirektionalen Gleichspannungswandler 13a und einen Wechselrichter 13b umfasst. Am Ausgang der Spannungswandler- einrichtung 13 kann eine Leistungsmesseinrichtung 24 angeordnet sein. In einem Gleichspannungszwischenkreis der Spannungswandlereinrichtung 13 ist ein so genannter„Batteriepfadabzweig" angekoppelt, der eine Laderegelungseinrichtung 15 in Form eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers umfasst, an dessen Ausgang eine Sensoreinrichtung 25 (z.B. ein Spannungs-, Stromsensor) angeschaltet ist. Die Sensoreinrichtung 25 kann innerhalb oder außerhalb der Ansteuervorrichtung 1 angeordnet sein. An einem Anschluss 17 der Ansteuervorrichtung 1 ist ein erstes Energiespeichermodul 40 (z.B. eine Bleibatterie) angeschlossen. Kennwerte des ersten Energiespeichermoduls 40 werden mittels eines Temperatursensors 26 und der Sensoreinrichtung 25 erfasst und an eine Steuerungseinrichtung 10 innerhalb der Ansteuervorrichtung 1 übertragen. Der Gleichspannungswandler 13a hat die Aufgabe, die durch den Gleichspannungserzeuger 30 erzeugte Gleichspannung an den gewünschten Eingangsspannungsbereich des Wechselrichters 13b anzupassen. Zusätzlich verfügt der Gleichspannungswandler 13a über eine Funktion, welche dafür sorgt, dass die vom Gleichspannungserzeuger 30 entnommene Leistung im Wesentlichen stets maximal ist. Hierfür wird mithilfe eines Suchalgorithmus ("Maximum Power Point Tracking") der ständig schwankende, maximale Leistungspunkt ermittelt.

Der Wechselrichter 13b sorgt dann entweder für die direkte Versorgung (Inselbetrieb) von Haushaltsverbrauchern (nicht dargestellt) oder für die Einspeisung der elektrischen Leis- tung in ein elektrisches Netz (nicht dargestellt). Gegebenenfalls kann der Wechselrichter 13b zusätzlich Leistung aus dem Netz beziehen um damit das Energiespeichermodul 40 zu laden.

Wie in der Figur angedeutet, werden die Komponenten: Gleichspannungswandler 13a, Wechselrichter 13b und dazugehörige Auswerte- und Steuerelektronik (nicht dargestellt) insbesondere in einem einzigen Gerät in Form der Ansteuervorrichtung 1 verbaut. Möglich sind auch Gesamtsysteme, bei denen zusätzlich das Energiespeichermodul 40 und ein eventuell vorhandenes Batteriemanagementsystem (falls vorhanden) fester Bestandteil des Gesamtsystems sind.

Dabei ist die Ausführung des Batteriemanagementsystems sehr von der verwendeten Batterietechnologie, der Batteriegröße, der Beanspruchung der Batterie und den Umgebungsbedingungen abhängig. Im einfachsten Fall, zum Beispiel bei kleineren Blei- Batterien im stationären Bereich mit geringer Beanspruchung, wird kein echtes Batterie- management benötigt. Es wird lediglich Spannung und Strom am Ausgang der Laderegelungseinrichtung 15 (alternativ auch direkt an der Batterie) und die Temperatur mittels des Temperatursensors 26 an einem der Batteriepole erfasst. Auf diese Weise wird lediglich global und nicht auf Modul- oder Zellenebene das Über- oder Unterschreiten von Span- nungs- und Temperaturgrenzen überwacht. Zusätzlich kann über eine Energiebilanzie- rung ein Ladezustand (engl. State of Charge, SOC) der Batterie bestimmt werden. Bei anderen Batterietechnologien (z.B. Lithium-Ionen-Batterien) ist ein Batteriemanagementsystem hingegen zwingend erforderlich. Diese Batteriemanagementsysteme bieten, je nach Beanspruchung der Batterie, die Möglichkeit einer Überwachung von Modulen und Zellverbänden bis hin zu einer Einzelzellüberwachung (z.B. hinsichtlich Spannung, Strom, Temperatur, usw.). Zusätzlich können bei Bedarf Funktionen, wie z.B. aktiver Ladungsausgleich zwischen den Einzelzellen (engl. Cell Balancing) und gegebenenfalls ein aktives thermisches Management (z.B. aktiv Kühlen/Wärmen) realisiert werden.

Eine in Fig. 2 dargestellte Topologie eines elektrischen Energiespeichersystems 100 ent- spricht im Wesentlichen der Konfiguration von Fig. 1 , mit dem Unterschied, dass nunmehr an die Ansteuervorrichtung 1 ein alternatives zweites elektrisches Energiespeichermodul

50 in Form einer Lithium-Ionen-Batterie angeschlossen ist. Ein Charakteristikum einer derartigen Batterie ist es, dass sie eine Management-Einrichtung in Form eines Batteriemanagementsystems 14 innerhalb der Batterie integriert aufweist. Batteriepacks bestehen aus mehreren Modulen, welche wiederum aus einer Vielzahl von Einzelzellen bestehen. Aus diesem Grund findet hier bevorzugt das Master-Slave-Prinzip Anwendung.

Fig. 3 zeigt stark vereinfacht ein derartiges Prinzip, wobei jedes einzelne Zellbündel 51 eine eigene Slave-Elektronik zu einer Einzelzellenüberwachung (z.B. in Form von Span- nungsmessung, Temperaturmessung, Ladungsausgleich zwischen Zellen) aufweist. Die gemessenen Werte werden aufbereitet und an eine Management-Mastereinrichtung 14a, welche zu einer Überwachung des gesamten Energiespeichermoduls 50 dient, übertragen. Mithilfe von Modellen und Algorithmen bestimmt die Management-Mastereinrichtung 14a sodann Größen wie Ladezustand, Alterungszustand (engl. State of Health, SOH) und Leistungsfähigkeit der Batterie. Darüber hinaus werden Grenzwerte von Temperatur, elektrischer Spannung und elektrischem Lade-/Entladestrom überwacht. Die Management-Mastereinrichtung 14a überträgt dann die Daten (z.B. via RS 485, CAN, Ethernet, usw.) an eine übergeordnete Auswerte-und Steuereinheit. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemanagementsystems nach dem

Master-Slave-Prinzip, wie es vorzugsweise für Lithium-Ionen-Zellbündel 51 verwendet wird. Vorzugsweise bilden die Energiespeicherzellen 52 und eine dazugehörige Elektronik (nicht dargestellt) einer Management-Slaveeinrichtung 14b der Managementeinrichtung 14 ein Komplettsystem, welches in einem Gehäuse eines Zellbündels 51 integriert ist. Man erkennt, dass die Management-Mastereinrichtung 14a mit den einzelnen Zellbündeln

51 über die jeweiligen Management-Slaveeinrichtungen 14b kommuniziert, wobei die Ma- nagement-Slaveeinrichtungen 14b ihrerseits die einzelnen Zellen 52 der einzelnen Zellbündel 51 bzw. der Energiespeichermodule 50 überwachen, ansteuern bzw. regeln.

Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die Management-Mastereinrichtung 14a in die Ansteuervorrichtung 1 integriert wird.

Fig. 4 zeigt ein elektrisches Energiespeichersystem 100 mit einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung 1. Die prinzipielle Konfiguration entspricht derjenigen von Fig. 1 , mit dem Unterschied, dass nunmehr die Management- Mastereinrichtung 14a mit einem Gleichspannungszwischenkreis zwischen dem Gleichspannungswandler 13a und dem Wechselrichter 13b elektrisch verschaltet ist. Mit der Management-Mastereinrichtung 14a ist die Laderegelungseinrichtung 15 verschaltet. Mit einem Ausgang der Laderegelungseinrichtung 15 ist eine Umschalteinrichtung 16 (z.B. ein Zeitmultiplexer) verschaltet, die in der Lage ist, zwischen den Anschlüssen 17, 18 der Ansteuervorrichtung 1 hin und her zu schalten, an die jeweils ein Energiespeichermodul 40, 50, die zusammen eine elektrische Energiespeichereinrichtung 200 bilden, angeschlossen ist.

Die Umschalteinrichtung 16 ist entweder als ein elektronischer Halbleiterschalter (z.B. MOSFET) oder als ein elektromechanisches Relais ausgebildet. Ein Relais hat dabei den Vorteil, dass es üblicherweise ohnehin bereits verwendet wird, um eine sichere Trennung zwischen der Batterie und dem Rest des Systems zu gewährleisten. Durch die Verwendung dieser bereits vorhandenen Trennschalter lässt sich die Umschaltung zwischen beiden Energiespeichermodulen 40, 50 vorteilhaft ohne zusätzlichen Hardwareaufwand rea- lisieren.

Im Ergebnis ist es auf diese Weise möglich, mittels der Umschalteinrichtung 16 zwischen zwei technologisch unterschiedlichen oder auch gleichen Energiespeichermodulen 40,50 umzuschalten, um dadurch einen möglichst optimalen Ladevorgang für die Energiespei- chermodule 40, 50 bereitzustellen. Vorzugsweise ist es möglich, nach einem Umschaltvorgang möglichst zeitnah von einem Ladeverfahren eines zuvor angeschalteten Energiespeichermoduls 40, 50 auf ein Ladeverfahren eines aktuell angeschalteten Energiespeichermoduls 40, 50 umzuschalten, so dass das neu angeschaltete Energiespeichermodul 40, 50 nicht mit dem Ladeverfahren des zuvor angeschaltet Energiespeichermoduls 40, 50 beaufschlagt und dadurch möglicherweise geschädigt wird. Die zentrale Management-Mastereinrichtung 14a wertet die von den Energiespeichermodulen 40, 50 übermittelten Daten bzw. Sensorsignale aus und steuert auf Grundlage dieser Daten und mittels verschiedener Bewertungs- und Regelalgorithmen die Laderegelungseinrichtung 15 und die Umschalteinrichtung 16 im Wesentlichen synchron. Zusätz- lieh kommuniziert die Management-Mastereinrichtung 14a über eine Kommunikationsschnittstelle 22 (z.B. RS 485, CAN, Ethernet, usw.) mit der übergeordneten Steuerungseinrichtung 10. Diese sendet an die Management-Mastereinrichtung 14a eine Anforderung für das Laden bzw. Entladen des Energiespeichermoduls 40, 50 bzw. der Energiespeichermodule 40, 50. Umgekehrt sendet die Management-Masterrichtung 14a einen Status der Verfügbarkeit des Ladens oder Entladens der Energiespeichermodule 40, 50 an die Steuerungseinrichtung 10.

Eine Ermittlung von Zeitpunkten zur Umschaltung zwischen den Energiespeichermodulen 40, 50 und die eigentliche Ansteuerung der Halbleiterschalter oder Relais werden dabei von der Management-Mastereinrichtung 14a übernommen. Entsprechend des durch die Umschalteinrichtung 16 ausgewählten Speichermodultyps wird die Ansteuerung der Laderegelungseinrichtung 15 durch die Management-Mastereinrichtung 14a dynamisch ange- passt. Um für unterschiedliche Energiespeichermodule 40, 50 die gleiche Laderegler-Hardware verwenden zu können, sollten von beiden Energiespeichermodulen 40, 50 die bevorzugten Spannungs- und Stromfenster der Laderegelungseinrichtung 15 eingehalten werden.

Im Falle von relativ einfach zu regelnden Batterietypen, wie sie beispielsweise stationäre Bleibatterien repräsentieren, könnten die zu einer Parametrierung und Regelung wichtigen Daten (z.B. bevorzugtes Ladeverfahren, Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzwerte) fest auf einer Kodierungseinrichtung 23 (zum Beispiel ein RFI D-Chip oder ein Barcode) abgelegt werden. Diese Daten können dann von der Management-Mastereinrichtung 14a ausgelesen werden und sorgen damit für eine Autoparametrierung des Gesamtsystems. Zusätzlich erfasst die Management-Masterrichtung 14a mittels einer

Sensoreinrichtung 25 verschiedene Messwerte, wie z.B. elektrische Spannung, elektrischer Strom und Temperatur. Durch die parametrierten und gemessenen Werte kann mittels der Management-Masterrichtung 14a die Laderegelungseinrichtung 15 optimal auf den jeweiligen Energiespeichertyp angepasst werden. Eine zusätzliche Übertragung des bevorzugten Ladeverfahrens an die Management-Mastereinrichtung 14a hat den Vorteil, dass einerseits überprüft und plausibilisiert werden kann, ob die einzelnen Energiespei- chermodule 40, 50 gleichen Typs sind und andererseits kann das optimale Ladeverfahren, entsprechend dem angeschlossenen Energiespeichermodultyp, automatisch eingestellt werden. Bei komplexer zu überwachenden und zu regelnden Batterietypen, wie beispielsweise bei Lithium-Ionen-Batterien, funktioniert das Batteriemanagementsystem in ähnlicher Weise wie bereits mit Bezug auf Fig. 3 dargestellt wurde.

Allerdings ist jetzt die Management-Mastereinrichtung 14a nicht mehr integraler Bestand- teil des Energiespeichermoduls 50, sondern die Management-Mastereinrichtung 14a wird erfindungsgemäß nunmehr an das übergeordnete System ausgelagert. Die Management- Slaveeinrichtungen 14b überwachen zwar auch weiterhin die Einzelheiten des Energiespeichermoduls 50 hinsichtlich Spannung, Strom, Temperatur, Ladungsausgleich, usw. Die von den Management-Slaveeinrichtungen 14b erfassten Messwerte, die sich mit der Temperatur ändernden Grenzwerte (Spannung, Strom) und das bevorzugte Ladeverfahren, zum Beispiel in Form einer Kennlinie, werden jetzt allerdings an die innerhalb der Ansteuervorrichtung 1 angeordnete Management-Mastereinrichtung 14a übertragen.

Im Ergebnis kann also die Management-Mastereinrichtung 14 der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung 1 sowohl die Daten und Messwerte einfach zu regelnder Batterietypen, beispielsweise Bleibatterien, als auch die Daten von Batterietypen mit höheren Anforderungen an die Überwachung und Regelung, zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterien, verarbeiten. Denkbar wäre es auch, dass zur Übermittlung der Daten standardisierte Datenübertragungsprotokolle über eine Kommunikationsschnittstelle 22 verwendet werden. Als eine Busverbindung zwischen der Management-Mastereinrichtung 14a und der Management- Slaveeinrichtung kommen ein CAN Bus, ein l²C Bus oder eine sonstige geeignete Kommunikationsschnittstelle 22 in Betracht. Mithilfe der Daten und Messwerte der Batte- rien kann durch geeignete Algorithmen der jeweilige Batteriezustand in Bezug auf Ladezustand, Alterungszustand und Leistungsfähigkeit bestimmt werden. Abhängig vom Batteriezustand kann die Management-Mastereinrichtung 14a dann mittels der Umschalteinrichtung 16 dynamisch zwischen den Energiespeichermodulen 40, 50 hin- und herschalten. Darüber hinaus werden je nach Schalterstellung bzw. je nach angewähltem Energie- speichermodul 40,50 das Ladeverfahren und die Grenzwerte dynamisch angepasst. Die in Fig. 4 dargestellte Topologie funktioniert vorteilhaft unabhängig von einer Anzahl und einem Technologietyp angeschlossener Energiespeichermodule 40, 50. Damit ergibt sich vorteilhaft ein hohes Maß an Flexibilität bei der Wahl des Energiespeichermoduls 40,50.

Denkbar wäre als eine Alternative auch eine in Fig. 5 dargestellte Topologie abgewandelter Form für ein AC-gekoppeltes System. Die Topologie von Fig. 5 unterscheidet sich von der Topologie der Fig. 4 darin, dass die Management-Mastereinrichtung 14a nunmehr an einen elektrischen Wechselspannungskreis nach dem Wechselrichter 13b angekoppelt ist. Dies ergibt den Vorteil, dass bereits vorhandene Systeme zur Gleichspannungserzeugung (z.B. eine auf einem Dach eines Gebäudes montierte Fotovoltaikanlage) mit wenigen zusätzlichen Komponenten zu einem elektrischen Energiespeichersystem 100 nachgerüstet werden können. Vorteilhaft ist ein Zugang zu einem AC-Anschluss wesentlich einfacher herzustellen als ein Zugang in den Zwischenkreis zwischen dem Gleichspan- nungswandler 13a und dem Wechselrichter 13b.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Topologie wird gegenüber der Topologie von Fig. 4 lediglich ein zusätzlicher bidirektionaler Gleichrichter 13c benötigt, der die Ankopplung des Batterieabzweigs der Ansteuervorrichtung 1 auf der AC-Seite ermöglicht.

Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens:

In einem Schritt 301 wird ein Betriebszustand des Energiespeichermoduls 40, 50 ermittelt.

In einem Schritt 302 wird ein Übermitteln von wenigstens einem Wert des Betriebszustands an eine innerhalb der Ansteuervorrichtung 1 angeordnete Management- Mastereinrichtung 14a durchgeführt. Schließlich wird in einem Schritt 303 ein mittels der Management-Mastereinrichtung 14a gesteuertes Betreiben des Energiespeichermoduls 40, 50 entsprechend einer Technologie und/oder eines Betriebszustands des Energiespeichermoduls 40, 50 durchgeführt.

Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eine universelle Verwendung und eine Ausbaufähigkeit von bestehenden Gleichspannungs-Systemen ermöglicht. Vorteilhaft ergibt sich durch die erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung eine weitgehende Flexibilität hinsichtlich einer Auswahl einer Technologie eines Energiespeichermoduls, so dass dadurch vorteilhaft eine im Prinzip langlebige und damit ökonomische Vorrichtung bereitgestellt wird. Vorteilhaft ist mittels der erfindungsgemäßen An- steuervorrichtung ein schonender und ein entsprechend den Erfordernissen der jeweiligen Energiespeichermodule angepasster Betrieb der Energiespeichermodule möglich.

Es versteht sich von selbst, dass der Gleichspannungserzeuger in Form einer Fotovoltaik- anlage lediglich beispielhaft anzusehen ist, so dass jegliche Gleichspannungserzeuger (z. B. eine Brennstoffzelle) an die erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung angeschlossen werden können. Denkbar wäre z. B. auch eine Verwendung der Ansteuervorrichtung im Automotive-Bereich.

Vorteilhaft kann eine Implementierung der Erfindung großteils in Software durchgeführt werden, wobei die Software leicht in elektronische Steuereinrichtungen eingespielt und abgeändert werden kann.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Fachmann wird also die beschriebenen Merkmale der Erfindung abändern oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche

1. Ansteuervorrichtung (100) für eine elektrische Energiespeichereinrichtung (200), aufweisend:

- eine Steuerungseinrichtung (10);

- einen ersten Anschluss (11) für einen Gleichspannungserzeuger (30);

- einen zweiten Anschluss (12) für elektrische Wechselspannung;

- wenigstens zwei Anschlüsse (17, 18) für die Energiespeichereinrichtung (200);

- eine zwischen dem ersten Anschluss (11) und dem zweiten Anschluss (12) verschaltete Spannungswandlereinrichtung (13);

- eine mit einem Zwischenkreis der Spannungswandlereinrichtung (13) verschaltete Laderegelungseinrichtung (15);

- eine mit der Laderegelungseinrichtung (15) verschaltete Umschalteinrichtung (16), mittels der ein Ausgang der Laderegelungseinrichtung (15) zwischen den Anschlüssen (17,18) umschaltbar ist; und

- eine Management-Mastereinrichtung (14a), mittels der in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Energiespeichereinrichtung (200) ein Ladeverfahren für die Energiespeichereinrichtung (200) an die Laderegelungseinrichtung (15) vorgebbar ist, wobei die Umschalteinrichtung (16) entsprechend ansteuerbar ist.

2. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Management-Mastereinrichtung (14a) die Ladereglungseinrichtung (15) derart steuerbar ist, dass mittels der Laderegelungseinrichtung (15) ein entsprechend einer Technologie eines Energiespeichermoduls (40, 50) der Energiespeichereinrichtung (200) ausgebildetes Ladeverfahren bereitstellbar ist.

3. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Umschalteinrichtung (16) entsprechend einer elektrischen Energiebilanz der Energiespeichermodule (40, 50) zwischen den Energiespeichermodulen (40, 50) umgeschaltet werden kann.

4. Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Laderegelungseinrichtung (15) im Wesentlichen verzögerungsfrei ein spezifisches Ladeverfahren für die Energiespeichermodule (40, 50) bereitstellbar ist.

5. Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten des Energiespeichermoduls (40, 50) mittels einer Kommunikationsschnittstelle (22) an die Management-Mastereinrichtung (14a) übertragbar sind.

6. Ansteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Management-Mastereinrichtung (14a) in maschinenlesbarer Form hinterlegte Betriebsdaten des Energiespeichermoduls (40) verarbeiten kann.

7. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten in dem Energiespeichermodul (40) mittels einer Kodierungseinrichtung (23) hinterlegt sind.

8. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Daten eines Ladeverfahrens vom Energiespeichermodul (40, 50) zur Management- Mastereinrichtung (14a) übertragbar ist.

9. Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Management-Mastereinrichtung (14a) innerhalb der Ansteuervorrichtung (1) eine DC-Kopplung oder eine AC-Kopplung an die

Spannungswandlereinrichtung (13) aufweist.

10. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichersystems (100) mit einer Ansteuervorrichtung (1) und wenigstens einem an die Ansteuervorrichtung (1) angeschlossenen Energiespeichermodul (40, 50), aufweisend die Schritte:

- Ermitteln eines Betriebszustands des Energiespeichermoduls (40, 50);

- Übermitteln von wenigstens einem Wert des Betriebszustands an eine innerhalb der Ansteuervorrichtung (1) angeordnete Management-Mastereinrichtung (14a); und - mittels der Management-Mastereinrichtung (14a) gesteuertes Betreiben des Energiespeichermoduls (40, 50) entsprechend einer Technologie und/oder eines Betriebszustands des Energiespeichermoduls (40, 50).

1 1. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin aufweisend den Schritt:

- Übertragen eines Ladeverfahrens vom Energiespeichermodul (40, 50) an die Management-Mastereinrichtung (14a).

12. Verwendung einer Ansteuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Betreiben wenigstens eines Energiespeichermoduls (40, 50) einer Energiespeichereinrichtung (200).

13. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10 oder 1 1 , wenn es auf einer elektronischen Steuereinrichtung (10) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.