WO2018233953A1 - Elektrische energieliefervorrichtung mit einer stromschienenmatrix sowie verfahren zum betreiben der energieliefervorrichtung - Google Patents

Elektrische energieliefervorrichtung mit einer stromschienenmatrix sowie verfahren zum betreiben der energieliefervorrichtung Download PDF

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Michael Hinterberger
Berthold Hellenthal
André Blum
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Definitions

  • An electrical energy delivery device having a bus bar matrix and method of operating the energy delivery device
  • the invention relates to an energy delivery device with a plurality of Nutzzikien.
  • the energy delivery device may be, for example, a stationary battery storage or a vehicle battery for an electric vehicle. Accordingly, the use units can each be formed by a battery cell module.
  • the energy delivery device may include a bus bar matrix via which the utility units may be selectively electrically connected to a device connected to the energy delivery device or to a connected energy source to perform an energy exchange.
  • the invention also includes a method of operating the energy delivery device.
  • an energy delivery device may comprise a series connection of fuel cell stacks, which in sum can supply a voltage for a device connected to the energy delivery device.
  • Each fuel cell stack can be individually electrically bridged in the series connection by a diode so that it does not block or shut down the entire energy delivery device in the event of a defect.
  • There are replacement fuel cell stacks in the series connection in order to be able to continue providing the voltage even in the event of a fuel cell stack failure.
  • a spare fuel cell stack remains idle until needed due to a failure of another fuel cell stack.
  • several of the said series circuits can be connected in parallel. Switches are provided for setting a specific switching constellation as fuel cell stacks.
  • a disadvantage of this arrangement is that due to the necessary free configurability control of the output current only within each individual Fuel cell stack can be done, which makes the energy delivery device in the production costly.
  • Another energy supply device with a plurality of use units in the form of energy storage elements is known from US 2006/0092583 A1.
  • the individual energy storage elements can also be combined by means of a plurality of switches to different switching constellations. A galvanic isolation between the individual memory elements is not provided.
  • the invention has for its object to provide a variably configurable electrical energy delivery device for energy exchange with multiple devices and / or energy sources.
  • the object is solved by the subject matters of the independent claims.
  • Advantageous developments of the invention are described by the dependent claims, the following description and the figures.
  • the invention provides an electric power supply device in which a plurality of use units are provided.
  • Each utility unit is configured to generate or temporarily store or dynamically redistribute electrical energy (such as a condenser).
  • the energy delivery device can be designed as a stationary energy storage or as a mobile energy storage.
  • At least one device ie an electrical consumer, and / or at least one energy source can be connected to the energy delivery device.
  • the energy delivery device performs an energy exchange via a busbar arrangement, wherein busbars of the busbar arrangement form a busbar matrix.
  • busbars of the busbar arrangement form a busbar matrix.
  • more than two busbars are provided, so that several different busbar pairs for transmitting a DC voltage between the power units and to the energy supply Device connected foreign components are possible.
  • the utilization units are divided into strands and in each strand of which the utilization units are interconnected to form a series connection.
  • Each strand has two strand ends, namely a plus end and a minus end.
  • Each strand end is connected via a respective galvanically separable switching unit with the busbar assembly.
  • a galvanically separable switching unit is a mechanical switching unit that can provide, for example, at least one contactor.
  • the series connection is connected to one of the string ends via a DC-DC converter (DC / DC converter).
  • the DC-DC converter can be a boost converter or buck converter or an inverse converter.
  • the DC-DC converter is a buck converter.
  • the series connection can be connected directly to the other line end.
  • the energy exchange between the energy supply device on the one hand and a foreign component coupled to the energy supply device on the other hand can be controlled by a control device.
  • the control device is adapted to connect for the exchange of energy in the event that several foreign components are connected to different of the busbars of the busbar assembly, the foreign components with at least one of the strands by switching the switching units of each strand for energy exchange and thereby the Keep foreign components galvanically isolated from each other.
  • each switching unit can, for example, have a plurality of contactors, wherein in each case one contactor for connecting the strand end to a busbar can be provided. It can be considered Switching also a contactor type of a changeover switch (1-to-N changeover switch) may be provided, which can switch between the different busbars. Of course, each switching unit can decouple a string end galvanically from all busbars.
  • the invention provides the advantage that an energy exchange can be carried out simultaneously by means of an energy delivery device with a plurality of different foreign components. From a connected power source electrical energy can be received. Electrical energy can be supplied to a connected device. All foreign components remain galvanically separated so that the foreign components do not influence each other.
  • the invention also includes refinements, resulting in additional benefits.
  • the energy delivery device may be based on different technologies for providing electrical energy.
  • Each use unit can be formed in each case at least one battery cell, in particular a battery cell module or a composite of a plurality of (for example, parallel) battery cell modules.
  • a use unit may comprise at least one fuel cell and / or at least one solar panel and / or at least one capacitor and / or a generator. It is preferably provided that in each strand only use units of the same technology, for example only battery cell modules, are provided. However, strands of different technology may be provided, e.g. to provide a predetermined power profile and / or current profile that would not be producible with a single technology.
  • the control device is set up to limit a thermal and / or electrical load on the individual strands by alternately connecting different strands with one of the foreign components.
  • a foreign component can be alternately coupled alternately with different strands.
  • an electric vehicle can be alternately charged with the electrical energy from different strands.
  • a depth of discharge DoD - Depth of Discharge
  • a predetermined limit eg 20%.
  • the busbars of the busbar arrangement are formed from aluminum or copper and are thermally coupled to the utilization units, wherein the control device is configured to generate a heating capacity for the utilization units by transhipping electrical energy of the rods via the busbar arrangement.
  • the thermal coupling can be effected for example by means of a cooling circuit.
  • a so-called balancing between strands can be effected to equalize their output voltages.
  • the control device is set up to divide current strengths of at least two strings, which are connected to the same foreign component, in relation to one another during the energy exchange, namely
  • the difference in the line resistances acting on the strand ends can be compensated.
  • the strand with shorter line length can be assigned a greater current than the strand with the longer line length.
  • the effect of different line lengths is compensated.
  • the setting of the busbar can be done by means of the respective DC-DC converter of the strand.
  • the energy supply device has an AC / DC converter arrangement connected to the busbar arrangement for exchanging electrical energy with a public electrical supply network or a stand-alone AC power source as the respective foreign component and the control device is set up to during the energy exchange, when at least one of the strands discharges, charging at least one other of the strands via the AC / DC converter arrangement with the electrical energy from the utility grid or the AC (AC) power source.
  • AC AC
  • an electric vehicle can be electrically charged via a pair of busbars, while at the same time a strand or several strands are charged with electrical energy via a further pair of conductor rails.
  • the electric vehicle can be charged in succession by means of different strands.
  • the AC / DC converters it is also possible to regulate a current intensity of a charging current for the strings.
  • a current profile of a charging current can also be set as a function of characteristic values of the utilization units used in the strand to be charged.
  • each two strands each have a further switching unit is provided which is adapted to switch for the exchange of energy, the two strands in series, and the control device is adapted to the series-connected strands galvanically with a pair of busbars connect.
  • an electrical voltage may be used, for example, to charge the strands, which is greater than the maximum voltage of each strand.
  • a 800V AC transformer may receive a charging voltage that may then be applied to the strings connected in series to charge their utilization units.
  • the AC / DC converter arrangement has a plurality of bidirectional AC / DC converters, and the control device is set up to interconnect each of the AC / DC converters with another busbar independently of the remaining AC / DC converters and / or at least two AC / DC converters connected in parallel to a power rail to meet a current specification / power requirement.
  • the control device is set up to interconnect each of the AC / DC converters with another busbar independently of the remaining AC / DC converters and / or at least two AC / DC converters connected in parallel to a power rail to meet a current specification / power requirement.
  • a refinement provides that a bridging circuit is provided within each string for each use unit and the control means is arranged to control the respective DC-DC converter of each string and the switching units of each string and the bypass circuits of each use unit for controlling the energy exchange. Thus, it can be individually determined for each use unit whether it is involved in the current energy exchange process or not.
  • the control device controls the energy exchange between the energy delivery device on the one hand and a plurality of foreign components coupled to the energy delivery device, that is, at least one device and / or at least one energy source on the other.
  • the energy supply device carries out the energy exchange via the busbar arrangement, wherein a switchable busbar matrix is formed by means of the busbars of the busbar arrangement, and in the energy delivery device the utilization units are divided into strands and in each strand the utilization units of which are connected in a series connection and the series connection is connected via a DC-DC converter.
  • buck converter with a strand end of the strand and turn each strand end of the strand is connected via a respective galvanically separable switching unit with the busbar assembly.
  • the control device connects the foreign components with at least one of the strings by switching the switching units of the respective string and keeps the foreign components galvanically isolated from one another.
  • the invention also includes developments of the method according to the invention, which have features as they have already been described in connection with the developments of the energy delivery device according to the invention. For this reason, the corresponding Formations of the method according to the invention will not be described again here.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the energy delivery device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a use unit of the power supply device of Fig. 1 with a bridging circuit.
  • the described components of the embodiments each represent individual features of the invention, which are to be considered independently of one another, which each further develop the invention independently of one another and thus also individually or in a different combination than the one shown as part of the invention. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention already described.
  • the energy delivery device 10 may be designed as an energy store or as a pure energy source or as a combination thereof.
  • the energy delivery device 10 may be provided, for example, as a stationary storage for electrical energy. It can for example be built on a road network.
  • At least one device 100 for example an electrically drivable motor vehicle, can then be connected to the energy delivery device 10 in order, for example, to charge a traction battery of the motor vehicle by means of an energy exchange E.
  • the power delivery device 10 may also be intended for use as a mobile or traction battery or solar storage.
  • traction battery can be connected to the power supply device such as an electric machine of a traction drive.
  • the energy supply device 10 can output at least 1 kW of electrical power in the charged state and / or deliver at least 1 kWh of electrical energy.
  • the energy supply device 10 several circuit branches or strings or strands 1 1 can be provided for the energy exchange E, wherein in each strand 1 1 more of the use units 12 can be connected to a series circuit 13.
  • the use units 12 are thus combined in the energy delivery device 10, that is, for example, in a vehicle traction battery or in an electrical stationary storage.
  • the energy delivery device 10 may comprise a housing in which the strands 1 1 and the busbar assembly 18 are arranged.
  • Each use unit 12 may each contain an electrical energy storage and / or a pure source of electrical energy.
  • a use unit may be e.g. an electrochemical battery cell or a battery cell module with a plurality of battery cells or a capacitor or a capacitor arrangement with a plurality of capacitors.
  • battery cells are those with the technology lithium-ion, lead, solid-state / solid state.
  • suitable capacitors are double-layer capacitors (so-called supercaps (R)) having a capacity of preferably at least 1 mF, in particular at least 100mF).
  • R supercaps
  • Examples of a pure source are each a fuel cell and a solar cell.
  • a use unit 12 may be used e.g.
  • a utilization unit 12 may also be provided with a parallel circuit of e.g. have multiple battery cells or battery cell modules.
  • each strand 1 1 the technology of the utilization units 12 used is uniform, ie, for example, only battery modules or only solar cells are provided.
  • Each strand 1 1 thus has use units 12 of the same technology, that is, for example, as a battery cell module, each a lithium-ion accumulator. But mixed technologies can be provided by different strands 11.
  • the energy delivery device can be adapted to a purpose or to a required operating profile. For example, for the use of the energy delivery device 10 in the motor vehicle as a traction battery, for example, two strands of different technology may be provided, eg with a breakdown of the number of use units 12: 80% energy cells (large storage capacity), 20% power cells (more expensive, but larger power flow). 1, as shown in FIG.
  • a DC-DC converter 14 in each case a mechanical switching unit 15 at the strand ends 11 ', a measuring device 16 for a strand current I, and / or a voltage measuring device for detecting a sum voltage or phase voltage U of the strand 1 1.
  • Each DC-DC converter 14 can be designed in a manner known per se.
  • the DC-DC converter can be a boost converter or buck converter or an inverse converter.
  • Each DC-DC converter 14 may in particular be a buck converter.
  • Each switching unit 15 may be designed mechanically switching and is in particular galvanically separable.
  • Each switching unit 15 may include a plurality of ON / OFF contactors or (as shown in FIG. 1) a contactor configured as a toggle switch (1-to-N multiplexer).
  • the respective strand end 1 1 ' can be alternately connected and disconnected galvanically with strand connections 17.
  • Each strand connection 17 constitutes an electrical connection to a busbar 18 '.
  • the busbars 18' as a whole form a busbar arrangement 18 of independent busbars 18 '.
  • Each strand connection 17 of a strand 1 1 can be connected to another busbar 18 'of the busbar assembly 18.
  • Per strand end 1 1 '(positive pole and negative pole) can thus be provided several strand 17 connections to connect the strand 1 1 to a plurality of different busbars 18' of the busbar assembly 18 alternately or electrically isolated from each busbar 18 ' , By opening the two switching units 15 of a strand 1 1, this can thus be galvanically decoupled and also be replaced during operation of the power supply device 10.
  • Each strand 1 1 can provide a sum voltage or DC voltage U at the strand connections 17 by means of the series circuit 13.
  • the DC voltage U may be a DC voltage (HV), which may be more than 60V, in particular more than 100V. However, it can also be provided that the DC voltage U is in the range of 8V to 60V.
  • HV DC voltage
  • Each strand 1 1 can be galvanically connected by means of its switching units 15 alternately with a respective pair of bus bars 18.
  • the strand 1 1 can be galvanically connected by means of the switching units 15 alternately with a pair of busbars in each case by a rod end 1 1 'is connected to a busbar 18' of the busbar pair, so that the DC voltage U drops on the busbar pair.
  • the measuring unit 16 may also provide said total voltage measurement across the string 1 1 to detect the DC voltage U.
  • the measuring unit 16 is preferably connected downstream of the DC-DC converter 14, as shown in FIG. 1, in order to enable a voltage regulation by means of the DC voltage converter 14. As will be explained in connection with FIG. 2, a single voltage measurement is still provided in each use unit 12.
  • the at least one device 100 can be connected to the strands 1 1.
  • busbars 18 'of the busbar assembly 18 thus a bus bar matrix is formed, via which optionally at least one selected strand 1 1 can be electrically connected to a selected device 100, while at the same time another device with at least one other strand 1 1 can be electrically connected.
  • the devices remain galvanically separated from each other.
  • the control device 19 can determine a respective energy requirement and / or a respective power requirement of the at least one connected device 100 and then select at least one line 11 by means of which the demand can be met.
  • the need may be met by the device 100 itself e.g. communicate via a communication interface or it may e.g. be stored as a fixed value in the control device 19.
  • the control device 19 can then connect the switching units 15 of each selected strand 1 1 with the bus bars 18 ', which lead to the connected device 00.
  • the busbars 18 ' may each be connected in pairs to an output terminal 20, to each of which a device 100 may be connected.
  • the connections of the bus bars 18 'to the individual electrical contacts of the output terminals 20 are shown in Fig. 1 by corresponding labels 1 +, 2+, 3+, 1 -, 2-, 3-, where "+" for positive potential and " - "can stand for negative potential or ground potential.
  • the designations symbolize three possible pairs of busbars and 2+, 2- and 3+, 3, wherein the electrical contacts of the output terminals 20 can be designed to be connectable alternately to different ones of the busbars 18 'by a further switching device, not shown.
  • the output terminals 20 can always remain electrically isolated from each other, as long as each busbar 18 'of one terminal 20 is galvanically connected to another strand.
  • a simultaneous charging and discharging different strands 1 1 may be provided, for example, to supply a device 100 successively with electrical energy from different strands 1 1, which are recharged in between.
  • the transformer 21 may be connected to an input terminal 23 of the energy supply device 10. If the strings 1 1 are not designed for this charging voltage, they can be connected in series to form a series circuit by means of the switching unit 15 '.
  • the electrical isolation is achieved by the use of different bus bars 18 'for the respective strands 1 1 and / or each voltage level (output voltage and charging voltage, eg 400V and 800V).
  • the strands can also be made a power concentration by at the input terminal 23, an energy source, eg a solar system, with a first power energy in at least one strand 1 1 feeds and then the strand 1 1 this energy with a second power greater than that first power is to a device 100 connected to an output terminal 20 again.
  • an energy source eg a solar system
  • the energy delivery device 10 can optionally have a modular AC / DC converter arrangement 24 with a plurality of AC / DC converters 24 'for the input connection 23, which can be individually switched between the busbars 18' by means of a switching unit 25, on a busbar 18 'to provide a predetermined current and / or charging voltage for a charging current or the respective AC / DC converters 24' galvanically separated from the busbar assembly 18 can.
  • a galvanic isolation from the input terminal 23 is possible.
  • the switching units 25, 26 may each be formed by a contactor.
  • the switching units 25, 26 can be controlled by the switching device 19.
  • the switching units 25, 26 of an AC / DC converter 24 ' By opening the two switching units 25, 26 of an AC / DC converter 24 ', this can thus be galvanically decoupled and also be replaced during operation of the energy delivery device 10.
  • the switching units 25, 26 thus represent decoupling switches.
  • the AC / DC converters 24 ' can be designed to be galvanically isolating. However, the AC / DC converter arrangement 24 need not necessarily have galvanically isolating AC / DC converters 24 '. Other converters are cheaper.
  • the galvanic isolation can be ensured at any time by means of the mechanical switches of the strings.
  • a mains self-sufficient power source such as e.g. an emergency generator or a wind turbine
  • the power delivery device 10 itself may be net forming, i. It can specify a mains frequency in relation to other devices connected to the input connection. This is advantageous in particular for the use of the energy delivery device 10 in a region without its own supply network 22.
  • AC devices can be operated without adaptation as on a public supply network.
  • the opposite of network building operation is network following operation, i. it is synchronized to a given mains frequency.
  • the control device 19 may be coupled to these components via a communication device 27.
  • the communication device 27 may comprise, for example, a communication bus, for example a CAN bus (CAN - Controller Area Network), or an Ethernet.
  • the control device 19 thus generally accumulates knowledge about what can be switched as, that is, for example, which bus bar 18 'can be switched to soft string 1 1.
  • the control device 19 may be at least partially ausgestaltest as a central control device for all strands 1 1 and / or at least partially as a distributed control device per strand 1 1. It may have a processor device with at least one microcontroller and / or at least one microprocessor. An operating program of the processor device can be set up to execute the described method steps for operating the energy delivery device 10 when executed by the processor device.
  • capacitors 30, 31 may be provided at the output terminals 20 and / or at the input terminal 23 in order to buffer load peaks.
  • the utilization units 12 can thus be operated more gently at load peaks / peaks (in the range, for example, up to a duration of, for example, 3 s or 5 s), since the load peak is damped.
  • a peak load may be an electrical power greater than a sum of the individual rated powers of the switched-on use units 12, in particular a power greater than 1, 2 times the sum.
  • a recharging circuit or limiting circuit 32 may be connected in series with the respective capacitor 30, 31 to conduct a capacitor current across the resistive element, limiting the current strength of the capacitor current to a predetermined maximum ,
  • the limiting circuit 32 can be used for charging and discharging the respective capacitor 30, 31.
  • a capacitor 30, 31 with its limiting circuit 32 represents a capacitor device.
  • the limiting circuit 32 thus represents a precharge circuit.
  • Cooling of the strands can be carried out e.g. be provided on a shelf by arranging améebene below the strand level.
  • Each bus bar 18 ' may be made of aluminum or copper.
  • Aluminum is the cheaper material and lighter than copper.
  • Aluminum generated by a specific resistance power loss (and more than copper), resulting in heating power for a temperature control of the use units 12th (In particular, battery cells) can be generated, which can be transmitted via a thermal coupling, such as a cooling circuit, from the busbars 18 'to the Nutzzikien 12.
  • the technology of the utilization units 12 available in the respective strand 11 can be taken into account so that the utilization units 12 are operated within their specification.
  • the current I can then be set by means of the DC-DC converter 14, so that, for example, equalizing currents flow between the strings 11, which are smaller than a threshold value. For example, it can be ensured that, in the case of batteries per battery cell, a current I of up to 300-400 A only flows for 15 s, but a continuous current only up to 150 A.
  • Each strand 1 1 can thus be operated with its own operating strategy, adapted to its technology.
  • a suitable current intensity I can be set by means of the DC-DC converter 14.
  • the current intensity I of the respective strand 1 1 set by the DC voltage converter 14 by the controller 19 may be adjusted to adjust the distribution of the currents I at several strings 1 1 connected in parallel depending on the line length 28 and in dependence on the line length 28 , A strand 1 1 with shorter line length 28 of the supply line over the busbars 18 'can be assigned to minimize a larger current I than a strand 1 1 with longer line length 28.
  • the effect of different line lengths is compensated.
  • the current intensity I can also be set as a function of a current temperature of the line sections.
  • Such a power management can be the disadvantage
  • the higher resistivity of aluminum can be compensated by setting and adjusting the current on individual line sections.
  • the control device 19 thus summarize the strands 1 1 are switched with the currently required property of the busbars 18 used, leading to the output terminal 20 at which the power is tapped by a connected device 100.
  • Each strand 1 1 can be coupled in as required by means of its switching units 15.
  • Each strand 1 1 can be emptied / loaded individually.
  • an efficiency optimization for the DC-DC converter 14 within the string 1 1 can be carried out by setting its input voltage by selecting and switching on utilization units 12.
  • the DC-DC converter 14 of each strand 1 1 can thus fulfill two tasks.
  • phase current I it limits the phase current I to a predefinable setpoint so that useful units 12 can be operated according to their specified specification (operating limits).
  • the voltage U of the strand 1 1 can be adjusted to the busbar voltage.
  • the equalizing currents between several strands 1 1 can be reduced.
  • the DC-DC converter 14 ensures that a predetermined setpoint voltage is applied to the strand connections 17, independently of the number of use units 12 actively operated in the strand 11.
  • a current measurement 16 for the phase current I can be centrally located in the measuring unit 16 in the strand as described 1 1 and is anyway necessary for the regulation of the DC-DC converter 14.
  • the central controller can also reconfigure it individually within each string 1 1, i. Use units 12 in the series circuit 13 of the strand 1 1 on and off. If e.g. the strand voltage U is smaller than a required rail voltage of the switched-on busbars 18 ', more use units 12 in the series circuit 13 of the strand 1 1 can be switched on. This can take place so quickly by means of semiconductor switches (for example transistors) that it can take place in a switching pause of the DC-DC converter 14.
  • semiconductor switches for example transistors
  • FIG. 2 shows how each use unit 12 is electrically bridged, electrically insulated and / or removed by an individual switching device N10. can be loaded.
  • semiconductor switches T transistors
  • Each use unit 12 may provide functions: a bridging / bridging circuit N1 1, a diagnosis unit N12, a (particularly passive) load balancing / discharging circuit N13, a decoupling / separating circuit N14.
  • a semiconductor switch T must be able to block only a low-voltage, for example 2x single voltage V of the utility unit 12.
  • the load balancing can also be active in a known manner (so-called active load balancing).
  • the diagnostic unit N12 can be configured in a known manner for a cell analysis, eg an impedance measurement by means of, for example, impedance spectroscopy.
  • the diagnostic unit N 2 can determine, per use unit 2 for an impedance spectral analysis (0 Hz to eg 3 kHz), a measuring current ⁇ and a single voltage V at several frequencies f, which results in the impedance curve over the frequency f. This represents an impedance spectrum.
  • the diagnostic unit N12 can signal a current state value 29 of a measuring current ⁇ and / or the individual voltage V and / or the measured impedance via the communication device 27 to the control device 19.
  • impedance is meant in the context of the invention an impedance value at a predetermined frequency, eg 0Hz, or an impedance curve over the frequency f.
  • Several frequencies can be checked in a frequency sweep with a stepwise increase or decrease
  • a multi-frequency excitation can be provided at several frequencies at the same time.
  • the multi-frequency excitation can be designed, for example, as a multisinus excitation or as a rectangular signal or as a jump signal.
  • Each utilization unit 12 can thus be monitored individually, for example with regard to its SoH (state of health) and / or SoC (state of charge) and / or SoF (state of function).
  • SoH and SoC and SoF are known per se from the prior art.
  • the individual voltage V of the utilization unit 12 can also be measured without the alternating voltage of the impedance measurement.
  • a use unit 12 that is bypassed (by means of the bypass circuit N1 1) can be monitored with respect to its single voltage V. Close before connecting (N14 or electrically conductive switch), the individual voltage V of the use unit 12 by means of the load balancing N13 can be adjusted individually.
  • an electrical charging unit per use unit 12 can also be provided, which can individually charge the utility unit 12 even when the semiconductor switch of the disconnecting circuit N14 is open (each use unit 12 can thus be charged individually).
  • the power supply of the charging unit can be done for example via the communication device 27 (eg by means of power over Ethernet technology) or by means of a galvanically isolated power supply unit. It can be provided a mutual locking of N1 1 and N14 (eg software-technical or by means of a logic circuit), so that no short circuit is generated.
  • each user unit 12 can be read out and the switching device N10 of each use unit 12 can be controlled, in particular the bridging circuit N1 1 in combination with the disconnecting circuit N14.
  • the switching device N10 of each use unit 12 can be controlled, in particular the bridging circuit N1 1 in combination with the disconnecting circuit N14.
  • each use unit 12 can be determined centrally in the controller 19 (e.g., in the form of the impedance as a wear value) and the switching state of each use unit 12 can be set in accordance with the detected condition.
  • Individual utilization units 12 can be electrically removed from the string 1 1 (bridging N), taken in (connected in series), individually discharged (discharge resistor R, balancing circuit N13), temporarily disconnected electrically (open N14 / switch off electrically), e.g. for the diagnostic unit N12.
  • the similarity can be defined by a similarity criterion, eg specifies a maximum difference of at least one parameter, the difference in a range of 10% to 100% (twice / half) may be.
  • An old / weak use unit 12 are first bypassed / switched out.
  • This can be recognized by a performance criterion, which for example relates to the impedance or is defined by the fact that the similarity criterion is violated.
  • the performance criterion thus excludes weak usage units 12.
  • the connection of old use units 12 / weak user unit 12 becomes possible again later, as soon as the conditions of the strand fit, that is to say the remaining use units 12 have likewise worn so far that the similarity criterion is fulfilled again.
  • the similarity criterion can reduce the need for load balancing.
  • the power per unit of use (current I in the string is the same, but with different voltage results in a different performance, which results in a local heating and thus aging / wear) can be adjusted in advance. Because load balancing requires matching to the "weakest" unit of use, which produces the lowest voltage, ie, it must be reduced to the lowest voltage by creating the same or similar operating conditions in advance by means of the similarity criterion, less balancing is required.
  • balancing would have to be set to the weakest operating unit, ie 3.9 volts (maximum internal resistance) can be detected (efficiency criterion) and switched from the string 1 1 (Bridging N1 1), but the impedance is only one example of the detection of a weak use unit Use unit done.
  • the strand 1 1 By electrical decoupling / separating N14 all use units 12 of a strand 1 1, the strand 1 1 can also be switched HV-free. All use units 12 are decoupled from each other. In this safety mode, the strand 1 1 can be secured, for example, for a mounting, an accident, an emergency, a transport.
  • the switching sequence is important: First, the mechanical switching units 15 (contactors) are opened, then done in turn decoupling N14 of the use units 12th By the control device 19, a wear adjustment / wear leveling of the individual use units 12 can be provided.
  • the wear leveling provides for the homogeneous use of the field / assembly of use units 12. This achieves wear equalization when operating the utilization units 12.
  • the wear leveling can be modeled on the FLASH storage technology (https://en.wikipedia.org/wiki/Wear_leveling).
  • the advantage of equalizing the wear is the extension of the overall service life of the energy delivery device 10, since a probability of failure of individual use units 12, which can be caused by above-average wear of a single use unit 12, is reduced.
  • the supply / removal of energy i. the energy exchange E with a connected device 100, takes place by means of the next use units 12, which are according to wear leveling.
  • a current state of wear is indicated as a wear value for each use unit 12.
  • the aim of these measures is therefore a uniform wear.
  • the wear value may e.g. be represented by the impedance of the use unit 12.
  • the wear value indicates wear of the use unit 12.
  • a respective setpoint value may be at least one operation variable, e.g. of the current I during discharge and / or the individual voltage V during charging, are determined on the basis of a matching criterion, wherein the adjustment criterion provides that by setting each setpoint one or all or all of the use units 12 in total complete the energy exchange E, but in this case a calculated from all wear values difference of wear of the Nutzzumbleen 12 is minimized.
  • the wear of the use units 12 is thus adjusted during the energy exchange E by more heavily worn use units 12 are less burdened than less worn Nutzzhimen 12. The latter continue to use, thereby equalizing their wear state of the less burdened Nutzziseren 12.
  • the wear value changes in operation, and the faster if the use unit 12 is operated at an operating point that deviates from an ideal state (the use unit continues to wear out). Therefore, even measures are useful.
  • the utilization units 12 are preferably operated only within a tolerance interval around an ideal charging state, which may be, for example, at a charge state of 50%, and / or can specify a current profile of an electric current flowing during the energy exchange of the use unit 12.
  • the ideal state depends on the usage unit technology used and is known in the art.
  • the ideal state for battery modules can be defined by the following parameters:
  • SoC - State of charge (energy content) - ideal are e.g. 50%;
  • DoD - Depth of Discharge - Degree of discharge (current profile) e.g. ideal state of charge 50% minus maximum 20% (tolerance interval).
  • the specified ideal values depend on the electrochemistry and / or the intended application and must be determined by a person skilled in the art in each case for the specific energy delivery device.
  • the DoD should remain "small", ie not sink too far down
  • the current operating point can be adjusted by the charging current / discharge current I for the utilization units 12
  • the AC / DC converter arrangement 24 can be used for adjusting the charging current, the DC-DC converter 14 for setting the discharge current, while the wear conditions / wear values of all the utilization units are to be adjusted.
  • An overcapacity of use units 12 can be maintained. Without additional switch, the load can be distributed by means of an overcapacity of use units 12. This results in a lower load per use unit 12, in that all use units will always be used in order to wear evenly. It also extends the life also because of the lower load; because if, for example, per strand at 1 10% capacity (sum of the individual capacities of the use units 12 in the strand) with throttling by the control device 19 only 100% (nominal nominal value) are retrieved, results in a lower peak load per use unit 12.
  • the strand 1 1 delivers For example, a larger voltage than needed, so less current I must flow for the same power as with a population of only 100% nominal value (rated capacity).
  • switches are available, e.g. the semiconductor switches T, a switching between the use of units 12 of a strand 1 1 may be provided, e.g. There are always 10 usage units provided (gives the nominal capacity) and 2 usage units bridged.
  • an overcapacity of utilization units 12 means that the sum of the individual nominal capacities of the utilization units 12 (i.e., their combined gross capacity) is greater than the nominal capacity made available to the outside. This can also compensate for a failure of a use unit.
  • the energy delivery device 10 may be e.g. as an energy store (e.g., battery storage) having a designated or nominal rated capacity (e.g., 100 kWh).
  • a gross capacity is provided internally which is greater than the nominal capacity made available from the outside (actual gross capacity of, for example, 1 10kWh, greater than the net capacity of, for example, 100kWh).
  • there are more usage units e.g., battery cell modules
  • BBM Bad block management
  • the term bad block management (BBM) comes from the flash memory technology (https://en.wikipedia.Org/wiki/Flash_memory#Memory_wear). In normal operation, however, it is also possible to rotate or interchange (for example according to the round-robin algorithm or generally a predetermined replacement instruction) between the utilization units in order to evenly wear all the utilization units.
  • the reserve unit already has similar electrical properties to the other active units because it already has a similar degree of wear (in the sense of the mentioned similarity criterion). This can reduce the degree of load balancing required in the manner described. Due to the division of user units into active units and reserve units, servicing units can also be replaced during operation of the energy store without impairing the rated capacity. Replacement units can be separated / taken out of service as reserve units and then removed / replaced (dynamic change of the units).
  • the bath block management and / or replacement can also be done in groups or in a string-wise, i. A group of utilization units 12 or the entire series circuit 13 of a strand is then switched and / or replaced. Even within a use unit 12, a bath block management can take place.
  • a usage unit 12 configured as a battery module, e.g. 12 battery cells as 3-fold series connection of 4 battery cells in parallel connection.
  • a parallel connection can be switched out, e.g. by bridging.
  • a string 1 1 can thus be charged via multiple sources, eg 40kW from other string 1 1 and 10kW from a grid AC / DC converter 24 'to provide 50kW charging power.
  • a load profile can be smoothed / homogenized, for example, by some strands 1 1 supply the consumer, while other strands 1 1 already charging, and then stand by for further charging.
  • charging with eg 10A and discharging with eg 20A done at least one strand 1 1 loads the device 100, at least one other strand 1 1 is charged from the supply network 22). It is also possible to generate a boost current (short-term peak, eg more than a factor of 1, 5) by connecting a string 1 1.
  • the (thermal / electrical) loading of the individual strands 11 can be limited by alternately supplying different strands 11 to a connected device 100 (e.g., charging an electric vehicle).
  • a connected device 100 e.g., charging an electric vehicle.
  • the said DoD Depth of Discharge
  • the said DoD can also be limited, e.g. to 20%.
  • each strand 1 1 can also be a complete galvanic isolation between the strands, if they are connected to different busbars. This is the prerequisite for being able to charge multiple devices 100 (e.g., e-vehicles) at the same time. Each e-vehicle is connected to another busbar 18 'which is galvanically isolated from the remaining busbars.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Energieliefervorrichtung (10) mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten (12), wie z.B. Batteriemodule, Kondensatormodule oder Generatoren wie z.B. Brennstoffzellen oder Solarpanels. Die Erfindung sieht vor, dass die Energieliefervorrichtung (10) einen Energieaustausch (E) mit mehreren Fremdkomponenten in Form von Verbrauchern oder Erzeugern zugleich über eine matrixförmige Stromschienenanordnung (18) durchführt. Die Nutzeinheiten (12) sind in Stränge (11) aufgeteilt sind und jedes Strangende (11') eines Strangs (11) ist über einen Schalter (15) mit der Stromschienenanordnung (18) verbunden. Es können mehrere Fremdkomponenten (Verbaucher) an unterschiedliche Stromschienen (18') angeschlossen werden, wobei die Fremdkomponenten untereinander durch die Matrixstruktur der Stromschienenanordnug voneinander galvanisch getrennt sein können.

Description

Elektrische Energieliefervorrichtung mit einer Stromschienenmatrix sowie Verfahren zum Betreiben der Energieliefervorrichtung
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Energieliefervorrichtung mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten. Die Energieliefervorrichtung kann beispielsweise ein stationärer Batteriespeicher oder eine Fahrzeugbatterie für ein Elektrofahrzeug sein. Entsprechend können die Nutzeinheiten jeweils durch ein Batteriezellenmo- dul gebildet sein. Die Energieliefervorrichtung kann eine Stromschienenmatrix aufweisen, über welche die Nutzeinheiten wahlweise mit einem an die Energieliefervorrichtung angeschlossenen Gerät oder einer angeschlossenen Energiequelle elektrisch verbunden werden können, um einen Energieaustausch durchzuführen. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben der Energieliefervorrichtung.
Eine Energieliefervorrichtung der genannten Art ist beispielsweise aus der US 7,087,327 B2 bekannt. Darin ist beschrieben, dass eine Energieliefervorrichtung eine Reihenschaltung aus Brennstoffzellenstapeln aufweisen kann, die in der Summe eine elektrische Spannung für ein an die Energieliefervorrichtung angeschlossenes Gerät bereitstellen können. Jeder Brennstoffzellenstapel kann in der Reihenschaltung einzeln elektrisch durch eine Diode überbrückt werden, sodass er bei einem Defekt nicht die gesamte Energieliefervorrichtung blockiert oder stilllegt. Es gibt in der Reihenschaltung Ersatz- Brennstoffzellenstapel, um auch bei einem Ausfall eines Brennstoffzellenstapels weiterhin die Spannung bereitstellen zu können. Ein Ersatz- Brennstoffzellenstapel bleibt so lange ungenutzt, bis er aufgrund eines Defekts eines anderen Brennstoffzellenstapels benötigt wird. Um einen größeren Betriebsstrom zu liefern, können mehrere der besagten Reihenschaltun- gen parallel geschaltet sein. Zum Einstellen einer bestimmten Schaltkonstellation als Brennstoffzellenstapeln sind Schalter vorgesehen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass aufgrund der notwendigen freien Konfigurierbar- keit eine Steuerung der Ausgangsstromstärke nur innerhalb jedes einzelnen Brennstoffzellenstapels erfolgen kann, was die Energieliefervorrichtung in der Herstellung kostspielig macht.
Eine weitere Energieliefervorrichtung mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten in Form von Energiespeicherelementen ist aus der US 2006/0092583 A1 bekannt. Die einzelnen Energiespeicherelemente sind ebenfalls mittels einer Vielzahl von Schaltern zu unterschiedlichen Schaltkonstellationen kombinierbar. Eine galvanische Trennung zwischen den einzelnen Speicherelementen ist nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine variabel konfigurierbare elektrische Energieliefervorrichtung für einen Energieaustausch mit mehreren Geräten und/oder Energiequellen bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben. Durch die Erfindung ist eine elektrische Energieliefervorrichtung bereitgestellt, in welcher eine Vielzahl von Nutzeinheiten vorgesehen ist. Jede Nutzeinheit ist dazu eingerichtet, elektrische Energie zu erzeugen oder zwischen- zuspeichern oder dynamisch umzuverteilen (wie ein Kondensator). Die Energieliefervorrichtung kann als stationärer Energiespeicher oder als mobi- ler Energiespeicher ausgestaltet sein.
An die Energieliefervorrichtung kann zumindest ein Gerät, also ein elektrischer Verbraucher, und/oder zumindest eine Energiequelle angeschlossen werden. Im Folgenden sind Geräte, also elektrische Verbraucher, und Ener- giequellen und dem Begriff„Fremdkomponenten" zusammengefasst.
Um eine Verbindung zwischen einer angeschlossenen Fremd komponente und den einzelnen Nutzeinheiten der Energieliefervorrichtung flexibel zu gestalten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Energieliefervorrich- tung einen Energieaustausch über eine Stromschienenanordnung durchführt, wobei Stromschienen der Stromschienenanordnung eine Stromschienenmatrix bilden. Mit anderen Worten sind mehr als zwei Stromschienen vorgesehen, sodass mehrere unterschiedliche Stromschienenpaare zum Übertragen einer Gleichspannung zwischen Nutzeinheiten und an die Energieliefer- Vorrichtung angeschlossenen Fremdkomponenten möglich sind. Es sind also mindestens drei Stromschienen, bevorzugt aber mehrere Stromschienen pro Plus-Potential und pro Minus-Potential oder Massepotential vorgesehen. Mittels eines der Stromschienenpaare kann dann Gleichspannung zu einem Gerät übertragen werden oder aus einer Energiequelle empfangen werden. Um die Nutzeinheiten flexibel an die Stromschienenmatrix anbinden zu können, wären theoretisch eine Vielzahl von Schaltern an der Stromschienenmatrix nötig. Dies wird erfindungsgemäß aber verhindert, indem die Nutzeinheiten in Stränge aufgeteilt sind und in jedem Strang dessen Nutzeinheiten zu einer Reihenschaltung verschaltet sind. Jeder Strang hat zwei Strangenden, nämlich ein Plus-Ende und ein Minus-Ende. Jedes Strangende ist über eine jeweilige galvanisch trennfähige Schalteinheit mit der Stromschienenanordnung verbunden. Eine galvanisch trennfähige Schalteinheit ist eine mechanische Schalteinheit, die beispielsweise zumindest ein Schütz vorsehen kann. Innerhalb des Strangs ist die Reihenschaltung über einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit einem der Strangenden verbunden. Allgemein kann der Gleichspannungswandler ein Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller oder ein Inverswandler sein. Bevorzugt ist der Gleichspannungswandler ein Tiefsetzsteller.
An das andere Strangende kann die Reihenschaltung direkt angeschlossen sein.
An die Energieliefervorrichtung können mehrere Fremdkomponenten zu- gleich für einen Energieaustausch angeschlossen werden. Der Energieaustausch zwischen der Energieliefervorrichtung einerseits und einer mit der Energieliefervorrichtung gekoppelten Fremdkomponente andererseits kann durch eine Steuereinrichtung gesteuert werden. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, für den Energieaustausch für den Fall, dass mehrere Fremdkomponenten an unterschiedlichen der Stromschienen der Stromschienenanordnung angeschlossen sind, für den Energieaustausch die Fremd komponenten mit jeweils zumindest einem der Stränge durch Schalten der Schalteinheiten des jeweiligen Strangs zu verbinden und dabei aber die Fremdkomponenten untereinander galvanisch getrennt zu halten.
Um ein Strangende variabel mit unterschiedlichen Stromschienen der Stromschienenanordnung verbinden zu können, kann jede Schalteinheit beispielsweise mehrere Schütze aufweisen, wobei jeweils ein Schütz zum Verbinden des Strangendes mit einer Stromschiene vorgesehen sein kann. Es kann als Schalteinheit auch ein Schütz vom Typ eines Wechselschalters (1 -zu-N- Wechselschalter) vorgesehen sein, der zwischen den unterschiedlichen Stromschienen umschalten kann. Natürlich kann jede Schalteinheit ein Strangende auch galvanisch von allen Stromschienen entkoppeln.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass mittels einer Energieliefervorrichtung mit mehreren unterschiedlichen Fremdkomponenten gleichzeitig ein Energieaustausch durchgeführt werden kann. Von einer angeschlossenen Energiequelle kann elektrische Energie empfangen werden. An ein an- geschlossenes Gerät kann elektrische Energie abgegeben werden. Sämtliche Fremdkomponenten bleiben dabei galvanisch getrennt, sodass sich die Fremdkomponenten nicht gegenseitig beeinflussen.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Die Energieliefervorrichtung kann auf unterschiedlichen Technologien zum Bereitstellen von elektrischer Energie beruhen. Jede Nutzeinheit kann jeweils zumindest eine Batteriezelle, insbesondere ein Batteriezellenmodul oder einen Verbund aus mehreren (zum Beispiel parallel geschalteten) Batteriezellenmodulen gebildet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine Nutzeinheit zumindest eine Brennstoffzelle und/oder zumindest ein Solarpanel und/oder zumindest einen Kondensator und/oder einen Generator umfassen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass in jedem Strang jeweils nur Nutzeinheiten derselben Technologie, zum Beispiel nur Batteriezellenmodule, bereitgestellt sind. Es können aber Stränge unterschiedlicher Technologie bereitgestellt sein, um z.B. ein vorbestimmtes Leistungsprofil und/oder Stromprofil bereitstellen zu können, das mit einer einzelnen Technologie nicht erzeugbar wäre.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, eine thermische und/oder elektrische Belastung der einzelnen Stränge zu begrenzen, indem abwechselnd unterschiedliche Stränge mit einer der Fremdkomponenten zu verbinden. Für einen Energieaustausch kann also eine Fremdkomponente nacheinander abwechselnd mit unterschiedlichen Strängen gekoppelt werden. Beispielsweise kann also ein Elektrofahrzeug mit der elektrischen Energie aus unterschiedlichen Strängen abwechselnd aufgeladen werden. Natürlich können auch mehrere Stränge parallel, also gleichzeitig, das Elektrofahrzeug aufladen. Ein weiterer Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist, dass bei jedem Strang eine Entladetiefe (DoD - Depth of Discharge) auf einen vorbestimmten Grenzwert begrenzt werden, z.B. auf 20%. Gemäß einer Weiterbildung sind die Stromschienen der Stromschienenanordnung aus Aluminium oder Kupfer gebildet und thermisch mit den Nutzeinheiten gekoppelt, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, durch Umladen von elektrischer Energie der Stänge über die Stromschienenanordnung eine Heizleistung für die Nutzeinheiten zu erzeugen. Die thermische Kopplung kann beispielsweise mittels eines Kühlkreislaufs bewirkt sein. Durch das Umladen kann auch ein sogenanntes Balancing zwischen Strängen bewirkt werden, um deren Ausgangsspannungen anzugleichen. Gemäß einer Weiterbildung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, während des Energieaustauschs Stromstärken von zumindest zwei Strängen, die mit derselben Fremdkomponente verbunden sind, im Verhältnis zueinander aufzuteilen, und zwar
a) in Abhängigkeit von der Leitungslänge der Stromschienenanordnung, die von dem Strang zu der Fremdkomponente führt, und/oder
b) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Stromprofil und/oder Leistungsprofil, das jeweils mittels der Stränge bereitgestellt werden soll.
Durch das Berücksichtigen der Leitungslänge kann der Unterschied in den an den Strangenden wirksamen Leitungswiderständen ausgeglichen werden. So kann der Strang mit kürzerer Leitungslänge eine größere Stromstärke zugeteilt bekommen als der Strang mit der längeren Leitungslänge. Somit wird die Auswirkung unterschiedlicher Leitungslängen kompensiert. Durch Aufteilen der Stromstärke in Abhängigkeit von einem Stromprofil und/oder Leistungsprofil kann für jeden Profilabschnitt oder Zeitabschnitt jeweils derjenige Strang ganz oder zumindest zum größeren Teil verwendet werden, dessen Technologie und/oder Betriebszustand dem bereitstellen des Profilabschnitts geeignet ist. Das Einstellen der Stromschiene kann mittels des jeweiligen Gleichspannungswandlers des Strang erfolgen. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Energieliefervorrichtung eine mit der Stromschienenanordnung verbundene AC/DC-Wandleranordnung zum Austauschen von elektrischer Energie mit einem öffentlichen elektrischen Versorgungsnetz oder einer netzautarken AC-Energiequelle als jeweilige Fremdkomponente aufweist und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, während des Energieaustauschs, wenn sich zumindest einer der Stränge entlädt, zumindest einen anderen der Stränge über die AC/DC- Wandleranordnung mit der elektrischen Energie aus dem Versorgungsnetz oder der AC-Energiequelle (AC - Wechselstrom) aufzuladen. Somit ist also ein gleichzeitiges Laden und Entladen verschiedener Stränge möglich oder vorgesehen. Beispielsweise kann mittels eines Strangs oder einer Parallelschaltung mehrerer Stränge ein Elektrofahrzeug über ein Stromschienenpaar elektrisch geladen werden, während gleichzeitig über ein weiteres Stromschienenpaar ein Strang oder mehrere Stränge mit elektrischer Energie nach geladen werden. In Kombination mit dem beschriebenen abwechselnden zuschalten von Strängen an eine Fremdkomponente kann so das Elektrofahrzeug nacheinander mittels unterschiedlicher Stränge aufgeladen werden. Mittels der AC/DC-Wandler kann auch ein Stromstärke eines Aufladestrom für die Stränge geregelt werden. Auch ein Stromprofil eines Aufladestroms kann in Abhängigkeit von Kennwerten der im aufzuladenden Strang verwendeten Nutzeinheiten eingestellt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass für jeweils zwei Stränge jeweils eine weitere Schalteinheit vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, für den Energieaustausch die zwei Stränge in Reihe zu schalten, und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die in Reihe geschalteten Stränge galvanisch mit einem Stromschienenpaar zu verbinden. Dann kann auch eine elektrische Spannung zum Beispiel zum Aufladen der Stränge verwendet werden, die größer als die Maximalspannung jedes Strangs ist. Beispielsweise kann also bei Strängen, die eine elektrische Spannung von 400 V erzeugen, zum Beispiel aus einem Transformator bei 800 V aus der AC-Seite eine Ladespannung empfangen werden, die dann an die in Reihe geschalteten Stränge angelegt werden kann, um deren Nutzeinheiten aufzuladen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die AC/DC-Wandleranordnung mehrere bidirektionale AC/DC-Wandler aufweist, und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, jeden der AC/DC-Wandler unabhängig von den übrigen AC/DC-Wandlern mit einer anderen Stromschiene zu verschalten und/oder zumindest zwei AC/DC-Wandler parallel an eine Stromschiene zu schalten, um eine Stromstärkevorgabe / Leistungsvorgabe zu erfüllen. Somit kann mittels der AC/DC-Wandleranordnung an unterschiedlichen Stromschienen jeweils eine andere elektrische Spannung bereitgestellt werden. Durch Parallelschalten von AC/DC-Wandler kann ein größerer Strom übertragen werden als mit einem einzelnen AC/DC-Wandler.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass innerhalb jedes Strangs für jede Nutzeinheit eine Überbrückungsschaltung vorgesehen ist und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, zum Steuern des Energieaustauschs den jeweiligen Gleichspannungswandler jedes Strangs und die Schalteinheiten jedes Strangs und die Überbrückungsschaltungen jeder Nutzeinheit zu steuern. Somit kann für jede Nutzeinheit individuell festgelegt werden, ob sie an dem aktuellen Energieaustauschvorgang beteiligt wird oder nicht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Energieliefervorrichtung. Die Steuereinrichtung steuert hierbei den Energieaustausch zwischen der Energieliefervorrichtung einerseits und mehreren mit der Energieliefervorrichtung gekoppelten Fremdkomponenten, also zumindest einem Gerät und/oder zumindest einer Energiequelle andererseits. Die Energieliefervorrichtung führt den Energieaustausch über die Stromschienenanordnung durch, wobei mittels der Stromschienen der Stromschienenanordnung eine umschaltbare Stromschienenmatrix gebildet ist, und in der Energieliefervorrichtung die Nutzeinheiten in Stränge aufgeteilt sind und in jedem Strang dessen Nutzeinheiten zu einer Reihenschaltung verschaltet sind und die Reihenschaltung über einen Gleichspannungswandler (insbesondere Tiefsetzsteller) mit einem Strangende des Strangs und wiederum jedes Strangende des Strangs über eine jeweilige galvanisch trennfähige Schalteinheit mit der Stromschienenanordnung verbunden ist. Die Steuereinrichtung verbindet für den Fall, dass mehrere Fremdkomponenten an unterschiedlichen der Stromschienen der Stromschienenanordnung angeschlossen sind, für den Energieaustausch die Fremdkomponenten mit jeweils zumindest einem der Stränge durch Schalten der Schalteinheiten des jeweiligen Strangs und hält dabei die Fremdkomponenten untereinander galvanisch getrennt. Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energieliefervorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiter- bildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieliefervorrichtung; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Nutzeinheit der Energieliefervorrichtung von Fig. 1 mit einer Überbrückungsschaltung.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispie- len stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die be- schriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine elektrische Energieliefervorrichtung 10, die als Energiespeicher oder als reine Energiequelle oder als eine Kombination daraus ausgestaltet sein kann. Die Energieliefervorrichtung 10 kann z.B. als ein Stationärspeicher für elektrische Energie vorgesehen sein. Sie kann z.B. an einem Straßennetz aufgebaut sein. An die Energieliefervorrichtung 10 kann dann zumindest ein Gerät 100, z.B. ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, angeschlossen werden, um mittels eines Energieaustauschs E z.B. eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs aufzuladen. Die Energieliefervorrichtung 10 kann auch für die Verwendung als Mobilbatterie oder Traktionsbatterie oder Solarspeicher vorgesehen sein. Als Traktionsbatterie kann an die Energieliefervorrichtung z.B. eine elektrische Maschine eines Traktionsantriebs angeschlossen sein. Die Energieliefervorrichtung 10 kann im geladenen Zustand mindestens 1 kW elektrische Leistung ausgeben und/oder mindestens 1 kWh elektrische Energie liefern. In der Energieliefervorrichtung 10 können für den Energieaustausch E mehrere Schaltungszweige oder Strings oder Stränge 1 1 vorgesehen sein, wobei in jedem Strang 1 1 jeweils mehrere der Nutzeinheiten 12 zu einer Reihen- Schaltung 13 verschaltet sein können. Die Nutzeinheiten 12 sind also in der Energieliefervorrichtung 10 zusammengefasst, also z.B. in einer Fahrzeug- Traktionsbatterie oder in einem elektrischen Stationärspeicher. Die Energieliefervorrichtung 10 kann ein Gehäuse aufweisen, in welchem die Stränge 1 1 und die Stromschienenanordnung 18 angeordnet sind.
Jede Nutzeinheit 12 kann jeweils einen elektrischen Energiespeicher und/oder eine reine Quelle für elektrische Energie enthalten. Als Energiespeicher kann eine Nutzeinheit z.B. eine elektrochemische Batteriezelle oder ein Batteriezellenmodul mit mehreren Batteriezellen oder einen Kondensator oder eine Kondensatoranordnung mit mehreren Kondensatoren enthalten. Beispiele für Batteriezellen sind solche mit der Technologie Lithium-Ionen, Blei, Solid-State/Festkörper. Beispiele für geeignete Kondensatoren sind Doppelschichtkondensatoren (sog. Supercaps (R) ) mit einer Kapazität von bevorzugt mindestens 1 mF insbesondere mindestens 100mF). Beispiele für eine reine Quelle sind jeweils einen Brennstoffzelle und eine Solarzelle. Als Energiequelle kann eine Nutzeinheit 12 z.B. eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel oder eine Solarzelle oder ein Solarpanel oder einen Generator z.B. eines Kraftwerks (z.B. eines Pumpspeicherkraftwerks) enthalten. Eine Nutzeinheit 12 kann zur Stromerhöhung auch eine Parallelschal- tung von z.B. mehreren Batteriezellen oder Batteriezellenmodulen aufweisen.
Innerhalb jedes Strangs 1 1 ist die verwendete Technologie der Nutzeinheiten 12 einheitlich, d.h. es sind z.B. nur Batteriemodule oder nur Solarzellen vor- gesehen. Jeder Strang 1 1 weist also Nutzeinheiten 12 gleicher Technologie auf, also z.B. als Batteriezellenmodul jede einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Aber es können gemischte Technologien durch unterschiedliche Stränge 1 1 bereitgestellt sein. Hierdurch kann die Energieliefervorrichtung an einen Einsatzzweck oder an ein benötigtes Betriebsprofil angepasst sein. Z.B. können für den Einsatz der Energieliefervorrichtung 10 im Kraftfahrzeug als Traktionsbatterie z.B. zwei Stränge unterschiedlicher Technologie vorgesehen sein, z.B. mit einer Aufteilung der Anzahl der Nutzeinheiten 12: 80% Energiezellen (große Speicherkapazität), 20% Leistungszellen (teurer, aber größerer Leistungsfluss). Pro Strang 1 1 können, wie in Fig. 1 gezeigt, zusätzlich zu der Reihenschaltung 13 aus Nutzeinheiten 12 noch vorgesehen sein: ein Gleichspannungswandler 14, jeweils eine mechanische Schalteinheit 15 an den Strangenden 1 1 ', eine Messeinrichtung 16 für eine Strangstromstärke I und/oder eine Spannungsmesseinrichtung zum Erfassen einer Summenspannung oder Strangspannung U des Stranges 1 1 .
Jeder Gleichspannungswandler 14 kann in an sich bekannter Weise ausge- staltet sein. Allgemein kann der Gleichspannungswandler ein Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller oder ein Inverswandler sein. Jeder Gleichspannungswandler 14 kann insbesondere ein Tiefsetzsteller sein. Jede Schalteinheit 15 kann mechanisch schaltend ausgestaltet sein und ist insbesondere galvanisch trennfähig. Jede Schalteinheit 15 kann mehrere ON/OFF-Schütze oder (wie in Fig. 1 gezeigt) einen als Wechselschalter ausgestaltetes Schütz aufweisen (1 -zu-N-Multiplexer). Mittels jeder Schalteinheit 15 kann das jeweilige Strangende 1 1 ' galvanisch mit Stranganschlüssen 17 abwechselnd verbunden und getrennt werden. Jeder Stranganschluss 17 stellt einen elektrischen Anschluss zu einer Stromschiene 18' dar. Die Stromschienen 18' insgesamt bilden eine Stromschienenanordnung 18 aus unabhängigen Stromschienen 18'. Jeder Stranganschluss 17 eines Strangs 1 1 kann dabei mit einer anderen Stromschiene 18' der Stromschienenanordnung 18 verbunden sein. Pro Strangende 1 1 ' (Plus-Pol und Minus-Pol) können also mehrere Stranganschlüsse 17 vorgesehen sein, um den Strang 1 1 an mehrere unterschiedli- che Stromschienen 18' der Stromschienenanordnung 18 abwechselnd zu verbinden oder von jeder Stromschiene 18' galvanisch zu trennen. Durch Öffnen der beiden Schalteinheiten 15 eines Strangs 1 1 kann dieser somit galvanisch entkoppelt werden und im laufenden Betrieb der Energieliefervorrichtung 10 auch ausgetauscht werden.
Jeder Strang 1 1 kann mittels der Reihenschaltung 13 eine — Summenspannung oder Gleichspannung U an den Stranganschlüssen 17 bereitstellen. Die Gleichspannung U kann eine Gleichspannung (HV) sein, die mehr als 60V, insbesondere mehr als 100V betragen kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Gleichspannung U im Bereich von 8V bis 60V liegt. Zwischen zwei Stromschienen 18' liegt somit eine Gleichspannung an, wenn ein Strang 1 1 galvanisch mit ihnen verbunden ist. Jeder Strang 1 1 kann dazu mittels seiner Schalteinheiten 15 abwechselnd mit jeweils einem Paar aus Stromschienen 18 galvanisch verbunden werden. Der Strang 1 1 kann mittels der Schalteinheiten 15 abwechselnd mit jeweils einem Stromschienen-Paar galvanisch verschaltet werden, indem jeweils ein Stangende 1 1 ' an eine Stromschiene 18' des Stromschienenpaars verbunden wird, sodass die Gleichspannung U an dem Stromschienen-Paar abfällt.
Die Messeinheit 16 kann auch die besagte Gesamtspannungsmessung über den String 1 1 vorsehen, um die Gleichspannung U zu erfassen. Die Messeinheit 16 ist dazu bevorzugt dem Gleichspannungswandler 14 nachgeschaltet, wie in Fig. 1 dargestellt, um eine Spannungsregelung mittels des Gleich- spannungswandlers 14 zu ermöglichen. Wie im Zusammenhang mit Fig. 2 noch erläutert werden wird, ist noch eine Einzelspannungsmessung in jeder Nutzeinheit 12 vorgesehen.
Über die Stromschienenanordnung 18 kann das zumindest eine Gerät 100 mit den Strängen 1 1 verbunden werden. Durch die Stromschienen 18' der Stromschienenanordnung 18 ist somit eine Stromschienenmatrix gebildet, über die wahlweise zumindest ein ausgewählter Strang 1 1 mit einem ausgewählten Gerät 100 elektrisch verbunden werden kann, während zugleich ein anderes Gerät mit zumindest einem anderen Strang 1 1 elektrisch verbunden werden kann. Die Geräte bleiben dabei galvanisch voneinander getrennt.
Welcher Strang 1 1 mit welcher Stromschiene 18' elektrisch verbunden wird, kann durch eine Steuereinrichtung 19 festgelegt werden. Die Steuereinrichtung 19 kann hierzu einen jeweiligen Energiebedarf und/oder einen jeweili- gen Leistungsbedarf des zumindest einen angeschlossenen Geräts 100 ermitteln und dann zumindest einen Strang 1 1 auswählen, mittels welchem dem Bedarf entsprochen werden kann. Den Bedarf kann das Gerät 100 selbst z.B. über eine Kommunikationsschnittstelle mitteilen oder er kann z.B. als ein fest vorgegebener Wert in der Steuereinrichtung 19 gespeichert sein. Die Steuereinrichtung 19 kann dann die Schalteinheiten 15 jedes ausgewählten Strangs 1 1 mit den Stromschienen 18' verbinden, die zu dem angeschlossenen Gerät 00 führen.
Es kann jeweils eine weitere Schalteinheit 15' zwischen je zwei Strängen 1 1 vorgesehen sein, um zwei Stränge 1 1 in Reihe zu schalten und somit deren Strangspannung zu addieren. Damit kann zwischen zwei Stromschienen 18' auch ein größere Spannung bereitgestellt werden, als sie von einem einzelnen Strang 1 1 erzeugt werden kann. Die Stromschienen 18' können jeweils paarweise mit einem Ausgangsanschluss 20 verbunden sein, an welchem jeweils ein Gerät 100 angeschlossen sein kann. Die Verbindungen der Stromschienen 18' mit den einzelnen elektrischen Kontakten der Ausgangsanschlüsse 20 sind in Fig. 1 durch korrespondierende Beschriftungen 1 +, 2+, 3+, 1 -, 2-, 3-, wobei„+" für Plus- Potential und„-" für Minus-Potential oder Masse-Potential stehen kann. Die Bezeichnungen symbolisieren drei mögliche Stromschienenpaare und 2+, 2- und 3+, 3-, wobei durch eine weitere, nicht dargestellte Schalteinrichtung auch die elektrischen Kontakte der Ausgangsanschlüsse 20 abwech- selnd mit unterschiedlichen der Stromschienen 18' verbindbar ausgestaltet sein können. Die Ausgangsanschlüsse 20 können dabei stets untereinander galvanisch getrennt bleiben, solange jede Stromschiene 18' eines Anschlusses 20 mit einem anderen Strang galvanisch verbunden ist. Hierbei kann auch ein gleichzeitiges Laden und Entladen unterschiedlicher Stränge 1 1 vorgesehen sein, um z.B. ein Gerät 100 nacheinander mit elektrische Energie aus unterschiedlichen Strängen 1 1 zu versorgen, die zwischendurch wieder aufgeladen werden. Z.B. kann ein Ladevorgang eines Elektrofahrzeugs (oder allgemein eines Geräts) über ein Stromschienen- Paar mit einer Ausgangsspannung von z.B. 400V erfolgen, während gleichzeitig das Aufladen anderer Stränge 1 1 z.B. über einen Transformator 21 bei einer Ladespannung von z.B. 800 V aus einem Versorgungsnetz 22 oder aus einer anderen vorrichtungsexternen Energiequelle erfolgen kann. Der Transformator 21 kann an einem Eingangsanschluss 23 der Einergieliefervorrich- tung 10 angeschlossen sein. Sind die Stränge 1 1 nicht für diese Ladespannung ausgelegt, können sie mittels der Schalteinheit 15' in Reihe zu einer Serienschaltung verschaltet werden. Die galvanische Trennung erfolgt durch die Nutzung unterschiedlicher Stromschienen 18' für die jeweiligen Stränge 1 1 und/oder jede Spannungsebene (Ausgangsspannung und Ladespannung, z.B. 400V und 800V).
Durch die Stränge kann auch eine Leistungskonzentration erfolgen, indem an dem Eingangsanschluss 23 eine Energiequelle, z.B. eine Solaranlage, mit einer ersten Leistung Energie in zumindest einen Strang 1 1 einspeist und anschließend der Strang 1 1 diese Energie mit einer zweiten Leistung, die größer als die erste Leistung ist, an ein an einen Ausgangsanschluss 20 angeschlossenes Gerät 100 wieder abgibt. Als Stationärspeicher kann die Energieliefervorrichtung 10 optional für den Eingangsanschluss 23 eine modular aufgebaute AC/DC-Wandleranordnung 24 mit mehreren AC/DC-Wandlern 24' aufweisen, die individuell zwischen den Stromschienen 18' mittels einer Schalteinheit 25 umgeschaltet werden können, um auf einer Stromschiene 18' eine vorbestimmte Stromstärke und/oder Ladespannung für einen Ladestrom bereitstellen zu können oder auch den jeweiligen AC/DC-Wandlern 24' galvanisch von der Stromschienenanordnung 18 trennen zu können. Mittels weiterer Schalteinheiten 26 ist auch eine galvanische Trennung von dem Eingangsanschluss 23 möglich. Die Schalteinheiten 25, 26 können jeweils durch ein Schütz gebildet sein. Die Schalteinheiten 25, 26 können durch die Schalteinrichtung 19 gesteuert werden. Durch Öffnen der beiden Schalteinheiten 25, 26 eines AC/DC- Wandlers 24' kann dieser somit galvanisch entkoppelt werden und im laufenden Betrieb der Energieliefervorrichtung 10 auch ausgetauscht werden. Die Schalteinheiten 25, 26 stellen somit Entkopplungsschalter dar. Die AC/DC-Wandler 24' können galvanisch trennend ausgestaltet sein. Die AC/DC-Wandleranordnung 24 muss aber nicht unbedingt galvanisch trennende AC/DC-Wandler 24' aufweisen. Andere Wandler sind günstiger. Die galvanische Trennung kann jederzeit mittels der mechanischen Schalter der Stränge sichergestellt werden.
An den Eingangsanschluss 23 anstelle des Versorgungsnetzes 22 eine netzautarke Energiequelle, wie z.B. ein Notstromaggregat oder eine Windkraftanlage, angeschlossen sein. Anders herum kann auch die Energieliefer- Vorrichtung 10 selbst netzbildend wirken, d.h. es kann ein gegenüber anderen an den Eingangsanschluss angeschlossenen Geräten eine Netzfrequenz vorgeben. Dies ist insbesondere für den Einsatz der Energieliefervorrichtung 10 in einer Region ohne eigenes Versorgungsnetz 22 vorteilhaft. Es können AC-Geräte ohne Anpassung wie an einem öffentlichen Versorgungsnetz betrieben werden. Das Gegenteil zum netzbildenden Betrieb ist der netzfolgende Betrieb, d.h. es wird auf eine vorgegebene Netzfrequenz aufsynchronisiert.
Zum Schalten der Schalteinheiten 15, 15', 25, 26 und der Nutzeinheiten 12 sowie zum Empfangen von Daten aus den Nutzeinheiten 12 kann die Steuereinrichtung 19 mit diesen Komponenten über eine Kommunikationseinrichtung 27 gekoppelt sein. Die Kommunikationseinrichtung 27 kann z.B. einen Kommunikationsbus umfassen, z.B. einen CAN-Bus (CAN - Controller Area Network), oder ein Ethernet. Die Steuereinrichtung 19 akkumuliert somit allgemein Wissen darüber, was wie geschaltet werden kann, also z.B. welche Stromschiene 18' auf weichen String 1 1 geschaltet werden kann. Die Steuereinrichtung 19 kann zumindest teilweise als eine zentrale Steuereinrichtung für alle Stränge 1 1 und/oder zumindest teilweise als verteilte Steuereinrichtung pro Strang 1 1 ausgestaltest sein. Sie kann eine Prozessoreinrichtung mit zumindest einem Mikrocon- troller und/oder zumindest einem Mikroprozessor aufweisen. Ein Betriebsprogramm der Prozessoreinrichtung kann dazu eingerichtet sein, bei Ausfüh- ren durch die Prozessoreinrichtung die beschriebenen Verfahrensschritte zum Betreiben der Energieliefervorrichtung 10 durchzuführen.
Optional können Kondensatoren 30, 31 (insbesondere Doppelschichtkondensatoren) an den Ausgangsanschlüssen 20 und/oder am Eingangsan- schluss 23 vorgesehen sein, um Lastspitzen zu puffern. Durch die Nutzeinheiten 12 können damit bei Lastspitzen / Peaks (im Bereich z.B. bis zu einer Dauer von z.B. 3s oder 5s) schonender betrieben werden, da die Lastspitze gedämpft wird. Eine Lastspitze kann eine elektrische Leistung größer als eine Summe der Einzelnennleistungen der zugeschalteten Nutzeinheiten 12 sein, insbesondere eine Leistung größer als das 1 ,2-fache der Summe.
Für einen Umschaltvorgang an den Stromschienen 18' kann eine Umladeschaltung oder Begrenzungsschaltung 32 (Schalter und Widerstandselement) in Reihe zum jeweiligen Kondensator 30, 31 geschaltet sein, um einen Kondensatorstrom über das Widerstandselement zu führen, wodurch die Stromstärke des Kondensatorstroms auf einen vorbestimmten Höchstwert begrenzt wird. Die Begrenzungsschaltung 32 kann für das Laden und Entladen des jeweiligen Kondensators 30, 31 genutzt werden. Ein Kondensator 30, 31 mit seiner Begrenzungsschaltung 32 stellt eine Kondensatoreinrich- tung dar. Die Begrenzungsschaltung 32 stellt also eine Vorladeschaltung dar.
Eine Kühlung der Stränge (insbesondere der Nutzeinheiten 12 in den Strängen 1 1 ) kann z.B. in einem Regal durch Anordnung einer Kühlebene unter der Strang-Ebene vorgesehen sein.
Jede Stromschiene 18' kann aus Aluminium oder Kupfer sein. Aluminium ist der preisgünstigere Werkstoff und leichter als Kupfer. Aluminium generiert durch einen spezifischen Widerstand Verlustleistung (und zwar mehr als Kupfer), woraus Heizleistung für eine Temperierung der Nutzeinheiten 12 (insbesondere Batteriezellen) generiert werden kann, die über eine thermische Kopplung, z.B. einen Kühlkreislauf, von den Stromschienen 18' zu den Nutzeinheiten 12 übertragen werden kann. Bei einer Stromaufteilung bei mehreren Strängen 1 1 an einer Stromschiene 18' kann durch Stellen / Regeln der einzelnen Strangströme I über den Gleichspannungswandler 14 des Strangs 1 1 die Stromstärke I angepasst werden, z.B. angeglichen oder dynamisch verlagert werden. So kann z.B. das Aufteilen der benötigten Gesamtstromstärke für das Gerät 100 auf N Stränge 1 1 aufgeteilt werden, z.B. N=3, und jeder Strang 1 1 eine eigens für ihn eingestellte Stromstärke I erzeugen, z.B. bei N=3: 50%, 25%, 25%.
Hierdurch kann die im jeweiligen Strang 11 verfügbare Technologie der Nutzeinheiten 12 berücksichtigt werden, so dass die Nutzeinheiten 12 inner- halb ihrer Spezifikation betrieben werden. Da die elektrischen Spannungen U ermittelt werden können, kann mittels des Gleichspannungswandlers 14 dann der Strom I gestellt werden, damit z.B. Ausgleichströme zwischen den Strängen 1 1 fließen, die kleiner als ein Schwellenwert sind. So kann z.B. sichergestellt werden, dass im Falle von Batterien pro Batteriezelle ein Strom I von bis zu 300-400 A nur für 15 s, aber ein Dauerstrom nur bis 150 A fließt. Jeder Strang 1 1 kann also mit einer eigenen Betriebsstrategie betrieben werden, angepasst an dessen Technologie. Eine geeignete Stromstärke I kann mittels des Gleichspannungswandlers 14 eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann in Abhängigkeit von der Leitungslänge 28 der Stromschienenabschnitte, die von einem Strang 1 1 zu einem Ausgangsan- schluss 20 führen (also zu einem Verbraucher), die Stromstärke I des jeweiligen Stranges 1 1 mittels dessen Gleichspannungwandlers 14 durch die Steuereinrichtung 19 eingestellt werden, um die Aufteilung der Stromstärken I bei mehreren parallel geschalteten Strängen 1 1 in Abhängig von der Leitungslänge 28 und in Abhängigkeit von den folglich resultierenden Verlusten einzustellen, damit die Verluste optimiert (z.B. minimiert oder zum Heizen maximiert) und/oder örtlich aufgeteilt werden können. Ein Strang 1 1 mit kürzerer Leitungslänge 28 der Zuleitung über die Stromschienen 18' kann für die Minimierung eine größere Stromstärke I zugewiesen bekommen als ein Strang 1 1 mit längerer Leitungslänge 28. Somit wird die Auswirkung unterschiedlicher Leitungslängen kompensiert. Die Stromstärke I kann auch in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur der Leitungsabschnitte eingestellt werden. Durch ein solches Leistungsmanagement kann der Nachteil des höheren spezifischen Widerstands von Aluminium kompensiert werden durch Vorgeben und Anpassen der Stromstärke auf einzelnen Leitungsabschnitten. Bei Bedarf können durch die Steuereinrichtung 19 somit zusammenfassend die Stränge 1 1 mit der aktuell benötigten Eigenschaft an die verwendeten Stromschienen 18 geschaltet werden, die zu dem Ausgangsanschluss 20 führen, an dem die Leistung durch ein angeschlossenes Gerät 100 abgegriffen wird. Jeden Strang 1 1 kann man nach Bedarf mittels seiner Schalteinhei- ten 15 einkoppeln. Jeder Strang 1 1 kann einzeln entleert / geladen werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Wirkungsgradoptimierung für den Gleichspannungswandler 14 innerhalb des Strangs 1 1 durchgeführt werden, indem seine Eingangsspannung durch Auswählen und Zuschalten von Nutzeinheiten 12 eingestellt wird. Der Gleichspannungswandler 14 jedes Strangs 1 1 kann somit zwei Aufgaben erfüllen. Er begrenzt den Strangstrom I auf einen vorgebbaren Sollwert, damit Nutzeinheiten 12 gemäß ihrer vorgegebenen Spezifikation (Betriebsgrenzen) betrieben werden können. Die Spannung U des Strangs 1 1 kann an die Stromschienenspannung angeglichen werden. So können die Ausgleichsströme zwischen mehrerer Stränge 1 1 vermindert werden. Zusätzlich stellt der Gleichspannungswandler 14 sicher, dass an den Stranganschlüssen 17 eine vorgegebene Sollspannung anliegt, unabhängig von der Anzahl der im Strang 1 1 aktiv betriebenen Nutzeinheiten 12. Eine Strommessung 16 für den Strangstrom I kann in der beschriebenen Weise zentral in der Messeinheit 16 im Strang 1 1 erfolgen und ist ohnehin für die Regelung des Gleichspannungswandlers 14 nötig.
Die zentrale Steuereinrichtung kann auch innerhalb jedes Strangs 1 1 diesen individuell rekonfigurieren, d.h. Nutzeinheiten 12 in der Reihenschaltung 13 des Strangs 1 1 zu- und abschalten. Falls z.B. die Strangspannung U kleiner ist als eine benötigte Schienenspannung der zugeschalteten Stromschienen 18', können mehr Nutzeinheiten 12 in der Reihenschaltung 13 des Strangs 1 1 zugeschaltet werden. Dies kann mittels Halbleiterschaltern (z.B. Transis- toren) derart schnell erfolgen, dass es in einer Schaltpause des Gleichspannungswandlers 14 erfolgen kann.
In Fig. 2 ist hierzu gezeigt, wie jede Nutzeinheit 12 durch eine individuelle Schalteinrichtung N10 elektrisch überbrückt, elektrisch isoliert und/oder ent- laden werden kann. Hierzu sind in der besagten Weise Halbleiterschalter T (Transistoren) vorgesehen. Jede Nutzeinheit 12 kann als Funktionen vorsehen: ein Bridging / eine Überbrückungsschaltung N1 1 , eine Diagnoseeinheit N12, ein (insbesondere passives) Loadbalancing / eine Entladeschaltung N13, eine Entkopplung/Trennschaltung N14. Ein Halbleiterschalter T muss nur eine Niedervoltspannung sperren können, z.B. 2x Einzelspannung V der Nutzeinheit 12. Das Loadbalancing kann auch in bekannter Weise aktiv erfolgen (sogenanntes aktives Loadbalancing). Zusätzlich zum Schalter für die Trennschaltung N14 kann auch für den zweiten, gegenüberliegenden Pol ein weiterer Schalter vorgesehen sein (allpoliges Schalten). Die Diagnoseeinheit N12 kann in bekannter Weise für eine Zellanalyse, z.B. eine Impedanzm essung mittels z.B. Impedanzspektroskopie, ausgestaltet sein. Die Diagnoseeinheit N 2 kann hierzu pro Nutzeinheit 2 für eine Impedanzspektralanalyse (0Hz bis z.B. 3kHz), einen Messstrom Γ und eine Einzelspannung V bei mehreren Frequenzen f ermitteln, was den Impedanzverlauf über der Frequenz f ergibt. Dies stellt ein Impedanzspektrum dar. Die Diagnoseeinheit N12 kann einen aktuellen Zustandswert 29 eines Messstroms Γ und/oder der Einzelspannung V und/oder der gemessenen Impedanz über die Kommunikationseinrichtung 27 an die Steuereinrichtung 19 signalisieren. Mit dem Begriff „Impedanz" ist im Zusammenhang mit der Erfindung ein Impedanzwert bei einer vorbestimmten Frequenz, z.B. 0Hz, oder ein Impedanzverlauf über der Frequenz f gemeint. Mehrere Frequenzen können in einem Fre- quenzsweep mit einer schrittweisen Erhöhung oder Verringerung überprüft werden. Alternativ dazu kann eine Multifrequenzanregung bei mehreren Frequenzen zugleich vorgesehen sein. Die Multifrequenzanregung kann z.B. als Multisinusanregung oder als Rechtecksignal oder als Sprungsignal ausgestaltet sein.
Jede Nutzeinheit 12 kann so individuell überwacht werden z.B. in Bezug auf ihren SoH (State of Health - Verschleißzustand) und/oder SoC (State of Charge - Energielieferkapazität) und/oder SoF (State of Function - Leistungsfähigkeit, Leistungsabgabefähigkeit). Die Kenngrößen SoH und SoC und SoF sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Unabhänig von der Impedanzmessung kann auch die Einzelspannung V der Nutzeinheit 12 ohne die Wechselspannung der Impedanzmessung gemessen werden. Auch eine Nutzeinheit 12, die überbrückt ist (mittels der Überbrückungschaltung N1 1 ) kann in Bezug auf ihre Einzelspannung V überwacht werden. Vor dem Zuschalten (N14 schließen oder elektrisch leitend schalten) kann die Einzelspannung V der Nutzeinheit 12 mittels des Loadba- lancing N13 individuell angepasst werden. Es kann optional auch eine elektrische Ladeeinheit pro Nutzeinheit 12 vorgesehen sein, die individuell die Nutzeneinheit 12 auch bei offenem Halleiterschalter der Trennschaltung N14 aufladen kann (jede Nutzeinheit 12 kann somit individuell geladen werden). Die Energieversorgung der Ladeeinheit kann z.B. über die Kommunikationseinrichtung 27 erfolgen (z.B. mittels Power-over-Ethernet-Technologie) oder mittels einer galvanisch getrennten Stromversorgungseinheit. Es kann eine gegenseitige Verriegelung von N1 1 und N14 vorgesehen werden (z.B. software-technisch oder mittels einer Logikschaltung), damit kein Kurzschluss erzeugt wird.
Zusätzlich kann eine Temperaturmessung durch die Diagnoseeinheit N12 oder z.B. durch die Steuereinrichtung 19 ein Rückschluss auf die Temperatur aus der Impedanz vorgesehen sein.
Es besteht somit für die Steuereinrichtung 19 Zugriff auf jede einzelne Nutzeinheit 12 über die Kommunikationseinrichtung 27. Der Zustand jeder Nutz- einheit 12 kann ausgelesen und die Schalteinrichtung N10 jeder Nutzeinheit 12 kann gesteuert werden, insbesondere die Überbrückungsschaltung N1 1 in Kombination mit der Trennschaltung N14. Durch kombiniertes Schalten der Überbrückungsschaltung N1 1 und der Trennschaltung N14 kann eine Nutzeinheit 12 in der Reihenschaltung abwechselnd zugeschaltet und weg- geschaltet werden.
Auf dieser Grundlage kann der Verschleiß / Zustand jeder Nutzeinheit 12 zentral in der Steuereinrichtung 19 ermittelt werden (z.B. in Form der Impedanz als Verschleißwert) und der Schaltzustand jeder Nutzeinheit 12 in Ab- hängigkeit von vom ermittelten Zustand eingestellt werden. Einzelne Nutzeinheiten 12 lassen sich aus dem String 1 1 elektrisch herausnehmen (Überbrücken N ), hereinnehmen (in Reihe schalten), einzeln entladen (Entladewiderstand R, Balancingschaltung N13), zeitweise elektrisch trennen (N14 öffnen/elektrisch sperrend schalten) z.B. für die Diagnoseeinheit N12.
Somit kann auf unterschiedlichen Verschleiß / individuelle Parameterstreuung der Nutzeinheiten 12 im Strang 1 1 reagiert werden: Es werden bevorzugt nur Nutzeinheiten 12 mit ähnlichen Parameterwerten aktiv betrieben. Die Ähnlichkeit kann durch ein Ähnlichkeitskriterium definiert sein, das z.B. einen maximalen Unterschied zumindest einer Kenngröße vorgibt, wobei der Unterschied in einem Bereich von 10% bis 100% (das Doppelte/die Hälfte) liegen kann. Eine alte/schwache Nutzeinheit 12 werden zunächst überbrückt / herausgeschaltet. Diese kann durch ein Leistungsfähigkeitskriterium er- kannt werden, das sich z.B. auf die Impedanz bezieht oder dadurch definiert ist, dass das Ähnlichkeitskriterium verletzt ist. Das Leistungsfähigkeitskriterium schließt also zu schwache Nutzeinheiten 12 aus. Das Zuschalten alter Nutzeinheiten 12 / schwacher Nutzereinheit 12 wird später wieder möglich, sobald die Strangbedingungen passen, das heißt die übrigen Nutzeinheiten 12 ebenfalls soweit verschlissen sind, dass wieder das Ähnlichkeitskriterium erfüllt ist.
Durch das Ähnlichkeitskriterium kann die Notwendigkeit für ein Loadbalan- cing reduziert werden. Die Leistung pro Nutzeinheit (Strom I im Strang ist gleich, aber bei unterschiedlicher Spannung ergibt sich eine unterschiedliche Leistung, was eine lokale Erhitzung und damit Alterung/Verschleiß zur Folge hat) kann im Voraus angeglichen werden. Denn das Loadbalancing erfordert einen Angleich auf die „schwächste" Nutzeinheit, die also die niedrigste Spannung erzeugt, d.h. es muss auf die niedrigste Spannung reduziert wer- den. Indem im Voraus gleiche oder ähnliche Betriebsbedingungen mittels des Ähnlichkeitskriteriums geschaffen werden, ist weniger Balancing nötig. Sind also z.B. die Einzelspannungen V=4,1Volt und V=3,9Volt in einem Strang vorhanden, müsste ein Balancing auf die schwächste Nutzeinheit einstellen, d.h. auf 3,9Volt. Durch die Innenwiderstand-Messung (Impedanz- Spektroskopie) kann die schwächste Nutzeinheit (größter Innenwiderstand) erkannt werden (Leistungsfähigkeitskriterium) und aus dem Strang 1 1 geschaltet werden (Bridging N1 1 ). Die Impedanz ist aber nur ein Beispiel für die Erkennung einer schwachen Nutzeinheit. Allgemein kann das Erkennen der schwächsten Nutzeinheit in Abhängigkeit von einem Zustand der Nutzeinheit erfolgen.
Durch elektrisches Entkoppeln / Trennen N14 aller Nutzeinheiten 12 eines Strangs 1 1 kann der Strang 1 1 auch HV-frei geschaltet werden. Alle Nutzeinheiten 12 werden voneinander entkoppelt. In diesem Sicherungsmodus kann der Strang 1 1 z.B. für eine Montage, eine Unfallsicherung, einen Notfall, einen Transport gesichert werden. Die Schaltreihenfolge ist wichtig: Erst werden die mechanischen Schalteinheiten 15 (Schütze) geöffnet, dann erfolgt der Reihe nach Entkoppeln N14 der Nutzeinheiten 12. Durch die Steuereinrichtung 19 kann auch ein Verschleißangleich / Wear- Leveling der einzelnen Nutzeinheiten 12 vorgesehen werden. Das Wear- Leveling sieht die homogene Nutzung des Felds/der Anordnung aus Nutzeinheiten 12 vor. Man erzielt hierdurch einen Verschleißangleich beim Be- trieb der Nutzeinheiten 12. Vorbild kann das Wear-Leveling aus der FLASH- Speichertechnologie (https://en.wikipedia.org/wiki/Wear_leveling) sein.
Vorteil der Vergleichmäßigung des Verschleißes ist die Verlängerung der Gesamtlebensdauer der Energieliefervorrichtung 10, da eine Ausfallwahr- scheinlichkeit einzelner Nutzeinheiten 12, wie er durch überdurchschnittliche Abnutzung einer einzelnen Nutzeinheit 12 verursacht werden kann, verringert wird.
Die Zufuhr/Entnahme von Energie, d.h. der Energieaustausch E mit einem angeschlossenen Gerät 100, erfolgt mittels der nächsten Nutzeinheiten 12, die gemäß Wear-Leveling dran sind. Es wird hierzu für jede Nutzeinheit 12 ein aktueller Verschleißzustand als Verschleißwert angegeben. Ziel dieser Maßnahmen ist also ein gleichmäßiger Verschleiß. Der Verschleißwert kann z.B. durch die Impedanz der Nutzeinheit 12 repräsentiert sein. Der Ver- schleißwert gibt eine Abnutzung der Nutzeinheit 12 an.
Für jede Nutzeinheit 12 kann in Abhängigkeit von dem Verschleißwert ein jeweiliger Sollwert zumindest eine Betriebsgröße, z.B. des Stromes I beim Entladen und/oder der Einzelspannung V beim Aufladen, auf der Grundlage eines Angleichkriteriums ermittelt werden, wobei das Angleichkriterium vorsieht, dass durch Einstellen jedes Sollwerts eine oder einige oder alle der Nutzeinheiten 12 insgesamt den Energieaustausch E zwar vollständig vollziehen, hierbei aber ein aus allen Verschleißwerten berechneter Unterschied der Abnutzung der Nutzeinheiten 12 minimal gehalten wird. Die Abnutzung der Nutzeinheiten 12 wird also während des Energieaustauschs E angeglichen, indem stärker abgenutzte Nutzeinheiten 12 weniger belastet werden als weniger abgenutzte Nutzeinheiten 12. Letztere nutzen dabei weiter ab, wodurch sich ihr Abnutzungszustand dem der weniger belasteten Nutzeinheiten 12 angleicht.
Der Verschleißwert ändert sich im Betrieb, und zwar umso schneller, falls die Nutzeinheit 12 in einem Betriebspunkt betrieben wird, der von einem Idealzustand abweicht (die Nutzeinheit verschleißt weiter). Daher sind auch Schonmaßnahmen sinnvoll. Bevorzugt werden hierzu die Nutzeinheiten 12 nur innerhalb eines Toleranzintervalls um einen Idealladezustand herum betrieben, der z.B. bei einem Ladezustand von 50% liegen kann, und/oder ein Stromprofil eines während des Energieaustauschs fließenden elektrischen Stromes der Nutzeinheit 12 vorgeben kann.
Allgemein ist der Idealzustand von der verwendeten Technologie der Nutzeinheit abhängig und im Stand der Technik bekannt. Der Idealzustand kann bei Batteriemodulen definiert sein durch die folgenden Parameter:
SoC - State of Charge (Energieinhalt) - ideal sind z.B. 50%;
DoD - Depth of Discharge - Entladungsgrad (Stromprofil) z.B. idealer Ladezustand 50% minus maximal 20% (Toleranzintervall).
Die angegebenen Idealwerte sind abhängig von der Elektrochemie und/oder der vorgesehenen Anwendung und jeweils für die konkrete Energieliefervorrichtung vom Fachmann zu bestimmen.
Allgemein sollte die DoD„klein" bleiben, d.h. nicht zu weit nach unten sinken. Je weiter der aktuelle Betriebspunkt vom Idealzustand entfernt ist, desto schneller steigt der Verschleißwert. Der aktuelle Betriebspunkt kann eingestellt werden, indem der Ladestrom / Entladestrom I für die Nutzeinheiten 12 entsprechend eingestellt wird. Die AC/DC-Wandleranordnung 24 kann für das Einstellen des Ladestroms, der Gleichspannungswandler 14 für das Einstellen des Entladestroms genutzt werden. Die Verschleißzustände / Verschleißwerte aller Nutzeinheiten sollen dabei angeglichen werden.
Eine weitere Schonmaßnahme ist die folgende: Es kann eine Überkapazität an Nutzeinheiten 12 vorgehalten werden. Ohne zusätzlichen Schalter kann mittels einer Überkapazität an Nutzeinheiten 12 die Belastung verteilt wer- den. Es ergibt sich eine geringere Belastung pro Nutzeinheit 12, indem alle Nutzeinheiten immer mitverwenden werden, um gleichmäßig abzunutzen. Es verlängert sich aber zudem die Lebensdauer auch schon wegen der geringeren Belastung; denn wenn z.B. pro Strang bei 1 10% Kapazität (Summe der Einzelkapazitäten der Nutzeinheiten 12 im Strang) mit Drosselung durch die Steuereinrichtung 19 nur 100% (nomineller Nennwert) abgerufen werden, ergibt sich eine geringere Spitzenbelastung pro Nutzeinheit 12. Der Strang 1 1 liefert z.B. eine größere Spannung als benötigt, es muss also weniger Strom I für dieselbe Leistung als bei einer Besetzung von nur 100% Nennwert (Nennkapazität) fließen. Ein Beispiel: 12 Nutzeinheiten sind bereitge- stellt, aber einen Nennwert von nur 10 Nutzeinheiten wird nominell Verfügbar gemacht.
Ohne Schalter müssen 12 Nutzeinheiten zugeschaltet sein, aber elektronisch erfolgt nur das Abrufen der Kapazität für nur 10 Nutzeinheiten (kein Schalten nötig!). Hierdurch sind auch schwächere Nutzeinheiten möglich, da deren Peak-Ströme geringer sind, und zwar wegen der sich ergebenden höheren Strangspannung U, da mehr Nutzeinheiten in Reihe geschaltet als nominell vorhanden. Die Nutzung billigerer Nutzeinheiten möglich.
Falls Schalter verfügbar sind, z.B. die Halbleiterschalter T, kann ein Durchwechseln zwischen den Nutzeinheiten 12 eines Strangs 1 1 vorgesehen sein, z.B. sind immer 10 Nutzeinheiten bereitgestellt (ergibt die Nennkapazität) und 2 Nutzeinheiten überbrückt.
Das Bereitstellen einer Überkapazität an Nutzeinheiten 12 bedeutet, dass die Summe der Einzelnennkapazitäten der Nutzeinheiten 12 (d.h. deren kombinierte Bruttokapazität) größer ist als die nach außen hin verfügbar gemachte Nennkapazität. Hierdurch kann auch ein Ausfall einer Nutzeinheit kompen- siert werden. So kann die Energieliefereinrichtung 10 z.B. als ein Energiespeicher (z.B. Batteriespeicher) mit einer ausgewiesenen oder nominellen Nennkapazität (z.B. 100 kWh) bereitgestellt werden. Tatsächlich wird intern eine Bruttokapazität vorgesehen, die größer als die von außen verfügbar gemachte Nennkapazität ist (tatsächliche Bruttokapazität von z.B. 1 10kWh, größer als die Nettokapazität von z.B. 100kWh). Mit anderen Worten sind mehr Nutzeinheiten (z.B. Batteriezellenmodule) vorhanden, als für die Bereitstellung der Nennkapazität nötig sind.
Es werden z.B. nach außen immer nur so viele Nutzeinheiten für das Entla- den verfügbar gemacht, wie es der Nennkapazität entspricht. Diese Nutzeinheiten sind dann aktive Einheiten oder„Aktiveinheiten". Die übrigen (nicht aktiv genutzten) Speichereinheiten sind„Reserveeinheiten".
Gemäß einem Bad-Block-Management (BBM - Bad Block Management) werden defekte oder verbrauchte Aktiveinheiten erkannt und außer Betrieb genommen. D.h. bei Ausfall / Defekt einer Aktiveinheit (defekte Nutzeinheit), kann diese ausgefallene Aktiveinheit außer Betrieb und eine Reserveeinheit (bisher inaktive Nutzeinheit) als neue Aktiveinheit in Betrieb genommen werden. So bleibt trotz Ausfall einer Nutzeinheit / mehrerer Nutzeinheiten die nominelle Nennkapazität erhalten. Der Begriff Bad-Block-Management (BBM) kommt aus der Flash-Speicher-Technologie (https://en.wikipedia.Org/wiki/Flash_memory#Memory_wear). Im Normalbetrieb kann aber auch ein Rotieren oder Durchwechseln (z.B. gemäß dem Round-Robin-Algorithmus oder allgemein einer vorbestimmten Austauschvorschrift) zwischen den Nutzeinheiten erfolgen, um alle Nutzeinheiten gleichmäßig abzunutzen. Wird dann eine Reservereinheit als Ersatz für eine ausgefallene Aktiveinheit aktiviert, so weist die Reserveeinheit be- reits ähnliche elektrische Eigenschaften wie die übrigen Aktiveinheiten auf, weil sie bereits einen ähnlichen Abnutzungsgrad (im Sinne des genannten Ähnlichkeitskriteriums) aufweist. Dies kann den Grad des notwendigen Loadbalancing in der beschriebenen Weise reduzieren. Aufgrund der Einteilung von Nutzeinheiten in Aktiveinheiten und Reserveeinheiten können auch während des Betriebs des Energiespeichers Nutzeinheiten bei einer Wartung ausgewechselt werden, ohne dass die Nennkapazität beeinträchtigt wird. Auszuwechselnde Nutzeinheiten können hierbei als Reserveeinheit separiert / aus dem Betrieb genommen werden und dann aus- gebaut / ersetzt werden (dynamischer Wechsel der Nutzeinheiten).
Das Bad-Block-Management und/oder das Auswechseln kann auch gruppenweise oder Strang-weise erfolgen, d.h. es wird dann eine Gruppe aus Nutzeinheiten 12 oder die gesamte Reihenschaltung 13 eines Strangs ge- schaltet und/oder ausgewechselt. Auch innerhalb einer Nutzeinheit 12 kann ein Bad-Block-Management erfolgen. So können z.B. eine bei einer als Batteriemodul ausgestalteten Nutzeinheit 12 mehrere Batteriezellen vorgesehen sein, z.B. 12 Batteriezellen als 3-fache Reihenschaltung von je 4 Batteriezellen im Parallelverbund. Es kann dann jeweils ein Parallelverbund rausge- schaltet werden, z.B. durch Überbrücken.
In Bezug auf ein Lade-Management für die Stränge kann folgendes vorgesehen sein. Über die Stromschienen 18 können mittels der Gleichspannungswandler 14 zusammengeschaltet werden, um Energie umzuladen. Ein Strang 1 1 kann somit über mehrere Quellen aufgeladen werden, z.B. 40kW aus anderem Strang 1 1 und 10kW aus einem Netz-AC/DC-Wandler 24', um 50kW Ladeleistung bereitzustellen. Bei der Leistungsabgabe kann ein Lastprofil geglättet / vergleichmäßigt werden, indem z.B. einige Stränge 1 1 den Verbraucher versorgen, während sich andere Stränge 1 1 schon aufladen, um dann für den weiteren Ladevorgang bereitzustehen. Z.B. kann gleichzeitig Laden mit z.B. 10A und Entladen mit z.B. 20A erfolgen (zumindest ein Strang 1 1 lädt das Gerät 100, zumindest ein anderer Strang 1 1 wird aus dem Versorgungsnetz 22 aufgeladen). Es kann auch ein Boost-Strom (kurzzeitiges Peak, z.B. mehr als Faktor 1 ,5) durch Zuschalten eines Strangs 1 1 erzeugt werden.
Die (thermische / elektrische) Belastung der einzelnen Stränge 1 1 kann begrenzt werden, indem abwechselnd unterschiedliche Stränge 1 1 ein angeschlossenes Gerät 100 versorgen (z.B. ein E-Fahrzeug aufladen). So kann auch die besagte DoD (Depth of Discharge) begrenzt werden, z.B. auf 20%.
Mittels der mechanischen Schalteinheiten 15 an jedem Strang 1 1 kann auch eine vollständige galvanische Trennung zwischen den Strängen erfolgen, falls diese an unterschiedliche Stromschienen geschaltet werden. Dies ist die Voraussetzung, um mehrere Geräte 100 (z.B. E-Fahrzeuge) gleichzeitig aufladen zu können. Jedes E-Fahrzeug wird an eine andere Stromschiene 18' angeschlossen, die von den übrigen Stromschienen galvanisch getrennt ist.
Insgesamt zeigen die Beispiele, durch die Erfindung eine Energieliefervor- richtung mit Power-Matrix bereitgestellt werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
Elektrische Energieliefervorrichtung (10) mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten (12), von denen jede dazu eingerichtet ist, elektrische Energie zu erzeugen oder zwischenzuspeichern oder dynamisch umzuverteilen, wobei eine Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, einen Energieaustausch (E) zwischen der Energieliefervorhchtung (10) einerseits und mehreren mit der Energieliefervorrichtung gekoppelten Fremdkomponenten andererseits zu steuern, wobei jede der Fremdkomponenten jeweils ein Gerät oder eine Energiequelle darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Energieliefervorrichtung (10) den Energieaustausch (E) über eine Stromschienenanordnung ( 8) durchführt, wobei mittels Stromschienen (18') der Stromschienenanordnung (18) eine umschaltbare Stromschienenmatrix gebildet ist, und in der Energieliefervorrichtung
(18) die Nutzeinheiten (12) in Stränge (1 1 ) aufgeteilt sind und in jedem Strang (1 1 ) dessen Nutzeinheiten (12) zu einer Reihenschaltung (13) verschaltet sind und die Reihenschaltung (13) über einen Gleichspannungswandler (14) mit einem Strangende (1 1 ') des Strangs
(1 1 ) und wiederum jedes Strangende (1 1 ') des Strangs (1 1 ) über eine jeweilige galvanisch trennfähige Schalteinheit (15) mit der Stromschienenanordnung (18) verbunden ist und die Steuereinrichtung
(19) dazu eingerichtet ist, für den Fall, dass mehrere Fremdkomponenten (KFZ) an unterschiedlichen der Stromschienen (18') der Stromschienenanordnung (18) angeschlossen sind, für den Energieaustausch (E) die Fremdkomponenten mit jeweils zumindest einem der Stränge (1 1 ) durch Schalten der Schalteinheiten (15) des jeweiligen Strangs (1 1 ) zu verbinden und dabei die Fremdkomponenten untereinander galvanisch getrennt zu halten.
Energieliefervorhchtung (10) nach Anspruch 1 , wobei jede Nutzeinheit
(12) jeweils zumindest eine Batteriezelle, insbesondere ein Batteriezellenmodul oder einen Verbund mehrerer Batteriezellenmodule, und/oder zumindest eine Brennstoffzelle und/oder zumindest ein Solarpanel und/oder zumindest einen Kondensator und/oder einen Generator umfasst.
3. Energieliefervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine thermische und/oder elektrische Belastung der einzelnen Stränge zu begrenzen, indem abwechselnd unterschiedliche Stränge mit einer der Fremdkomponenten verbunden werden.
Energieliefervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromschienen der Stromschienenanordnung aus Aluminium oder Kupfer gebildet sind und thermisch mit den Nutzeinheiten gekoppelt sind, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, durch Umladen von elektrischer Energie der Stränge (1 1 ) über die Stromschienenanordnung eine Heizleistung für die Nutzeinheiten zu erzeugen.
Energieliefervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, während des Energieaustauschs Stromstärken von zumindest zwei Strängen, die mit derselben Fremdkomponente verbunden sind, im Verhältnis zueinander aufzuteilen
a) in Abhängigkeit von der Leitungslänge der Stromschienenanordnung, die von dem Strang zu der Fremdkomponente führt, und/oder
b) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Stromprofil und/oder Leistungsprofil, das jeweils mittels der Stränge bereitgestellt werden soll.
Energieliefervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieliefervorrichtung eine mit der Stromschienenanordnung verbundene AC/DC-Wandleranordnung zum Austauschen von elektrischer Energie mit einem öffentlichen elektrischen Versorgungsnetz oder einer netzautarken AC- Energiequelle als jeweilige Fremdkomponente aufweist und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, während des Energieaustauschs, wenn sich zumindest einer der Stränge entlädt, zumindest einen anderen der Stränge über die AC/DC- Wandleranordnung mit der elektrischen Energie aus dem Versorgungsnetz oder der AC-Energiequelle aufzuladen.
Energieliefervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere bidirektionale AC-DC-Wandler zur Verfügung stehen, und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, jeden der AC/DC- Wandler unabhängig von den übrigen AC/DC-Wandlern mit einer anderen Stromschiene zu verschalten und/oder zumindest zwei AC/DC- Wandler parallel an eine Stromschiene zu schalten, um eine Stromstärkevorgabe / Leistungsvorgabe zu erfüllen.
Energieliefervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb jedes Strangs (1 1 ) für jede Nutzeinheit (12) eine Überbrückungsschaltung (N1 1 ) vorgesehen ist und die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, zum Steuern des Energieaustauschs (E) den jeweiligen Gleichspannungswandler (14) jedes Strangs (1 1 ) und die zumindest eine Schalteinheit (15) jedes Strangs (1 1 ) und die Überbrückungsschaltungen (N1 1 ) jeder Nutzeinheit (12) zu steuern.
Energieliefervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jeweils zwei Stränge (1 1 ) jeweils eine weitere Schalteinheit (15') vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, für den Energieaustausch (E) die zwei Stränge (1 1 ) in Reihe zu schalten, und die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, die in Reihe geschalteten Stränge (1 1 ) galvanisch mit einem Stromschienenpaar (18') zu verbinden.
Verfahren zum Betreiben einer Energieliefervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Nutzeinheiten (12) bereitgestellt ist, von denen jede Nutzeinheit (12) dazu eingerichtet ist, elektrische Energie zu erzeugen oder zwischenzuspeichern, wobei eine Steuereinrichtung (19) einen Energieaustausch (E) zwischen der Energieliefervorrichtung (10) einerseits und mehreren mit der Energieliefervorrichtung gekoppelten Fremdkomponenten andererseits steuert, wobei jede der Fremdkomponenten jeweils ein Gerät oder eine Energiequelle darstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energieliefervorrichtung (10) den Energieaustausch (E) über eine Stromschienenanordnung (18) durchführt, wobei mittels Stromschienen (18') der Stromschienenanordnung (18) eine umschaltbare Stromschienenmatrix gebildet ist, und in der Energieliefervorrichtung (18) die Nutzeinheiten (12) in Stränge (1 1 ) aufgeteilt sind und in jedem Strang (1 1 ) dessen Nutzeinheiten (12) zu einer Reihenschaltung (13) verschaltet sind und die Reihenschaltung (13) über einen Gleichspannungswandler (14) mit einem Strangende (1 1 ') des Strangs (1 1 ) und wiederum jedes Strangende (1 1 ') des Strangs (1 1 ) über eine jeweilige galvanisch trennfähige Schalteinheit (15) mit der Stromschienenanordnung (18) verbunden ist und die Steuereinrichtung (19) für den Fall, dass mehrere Fremdkomponenten (KFZ) an unterschiedlichen der Stromschienen (18') der
Stromschienenanordnung (18) angeschlossen sind, für den Energieaustausch (E) die Fremdkomponenten mit jeweils zumindest einem der Stränge (1 1 ) durch Schalten der Schalteinheiten (15) des jeweiligen Strangs (1 1 ) zu verbinden und dabei die Fremdkomponenten untereinander galvanisch getrennt zu halten.
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