WO2019154519A1 - Operating an energy store - Google Patents

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WO2019154519A1
WO2019154519A1 PCT/EP2018/053413 EP2018053413W WO2019154519A1 WO 2019154519 A1 WO2019154519 A1 WO 2019154519A1 EP 2018053413 W EP2018053413 W EP 2018053413W WO 2019154519 A1 WO2019154519 A1 WO 2019154519A1
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module
energy storage
voltage
voltages
energy
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PCT/EP2018/053413
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Inventor
Boris Kuschel
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0025—Sequential battery discharge in systems with a plurality of batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an energy store for a power supply network, which is designed to store electrical energy.
  • the energy storage device may comprise at least one strand of serially connected energy storage modules.
  • the energy storage includes at least a first energy storage module, which has a first module voltage and a second energy storage module, which has a second module voltage.
  • the invention further relates to a controller, an energy storage, an energy storage module and an assembly. Each of the energy storage modules has at least a plurality of energy storage cells connected in series and / or in parallel.
  • Such an energy store is preferably used to secure the stability of power supply networks.
  • the energy storage units can deliver enormously high power to the energy supply network and stabilize the energy supply network in critical situations.
  • the shape of the energy store can be technologically different and will also be influenced by the type and duration of the required support time.
  • a dimensioning of the energy storage device is conceivable, which allows a delivery of 50 megawatts (MW) over 5 seconds.
  • the readiness of the energy storage device to provide support for the power supply network in the range of several MW over at least one second is also referred to as readiness for support.
  • An energy storage cell or cell is the actual energy storage and is usually delivered without any additional electronics. Energy storage cells are available as merchandise in various designs. As an embodiment, it may be formed, for example, as a double-layer capacitor, which in turn may be in the form of supercapacitors or ultracapacitors can be realized or as a lithium-ion cell. Depending on the cell chemistry used, the cell voltage for a Dop pel Anlagenkondensator in the range of about 2.5V and the cell voltage for a lithium-ion battery at about 3.8V. Compared to the voltage of an energy distribution network (eg.,
  • the voltages of the energy storage cell must be considered extremely low.
  • An energy storage module in short module, is a circuit of serially and in parallel interconnected energy storage cells and may have an associated control electronics for monitoring, diagnosis and balancing of the individual Energy Eatzel sources. This control electronics is referred to as Battery Management System (BMS) or Capacitor Management System (CMS), when using capacitors as Energyspei cher.
  • BMS Battery Management System
  • CMS Capacitor Management System
  • An energy storage module is available in various form factors and / or energy storage module voltages, e.g. 12V, 24V, 48V, 125V available.
  • the form factor of the energy storage module is essentially determined by the physically technically storable energy content per unit room volume. In comparison with the voltage of an energy distribution network (for example> 1 kV, 10 kV, etc.), the voltages of the energy storage modules are considered to be low.
  • the control electronics require a supply voltage that is either generated on the energy storage module level or must be externally applied to the energy storage module.
  • the energy storage module may also have a communication port or interface via which the data of the energy storage module can be transmitted to a superior control for further processing.
  • Energy storage modules often use complex processes that determine the state of charge (also known as the state of charge, or SoC) and the state of health (also State of
  • One strand is a series connection of several energy storage modules. It is possible to run several strands in parallel to increase the power.
  • An equal charge, also called balancing, is not only necessary between the individual energy storage cells, but also advantageous between the individual modules due to the large number of modules connected in series.
  • Object of the present invention is to provide a method for operating an energy storage device that allows effizi enten charge balance between the energy storage modules. It is another object of the invention to provide an energy gie Grandemodul, an assembly and an energy storage.
  • the first module voltage is different from the second module voltage adjustable and that in egg nem second operating state, taking into account a To leranz the first module voltage equal to the second module clamping voltage is set.
  • the module voltage results from the number of ver used memory cells and their current state of charge. By adding electrical charge to the individual modules, the module can be charged and the voltage increases accordingly; during a discharge, the voltage decreases accordingly.
  • the energy store is designed to provide at least 10 MW over a period of at least 1 second. This has the advantage that the energy storage for the support of a power supply network is particularly suitable.
  • a plurality of energy storage modules are combined to form an assembly, each having a module voltage, wherein the construction group voltage is dependent on an operating state of the energy gieaires adjustable. Since the voltages to be achieved voltages on energy supply level are very high, it may prove advantageous to menzuieri several modules in modules and not only adjust the module voltages, but also a higher module voltage stabilistel sources. It can also give the advantage of respect to the Lich to be processed by a central control Da amount exists, if instead of module voltages only the module voltages are monitored and set by a higher-level control. It is possible that the construction group voltage is not directly adjustable, but only in directly on the modules installed in the module and their module voltages is adjustable.
  • the first operating state corresponds to a time period before and / or during a charge of the energy store. This period can be defined by the fact that shortly before a grid support has taken place and there is a differential voltage between the first and the second energy storage module.
  • the energy storage has thus recently been at least partially discharged. If different module voltages have been set, these are based on capacitance tolerances of the modules. It has now been found to be advantageous to tolerate different module voltages in this first operating state and to use the different module voltages even in a further step as current reference values for a regulation / control of the respective module voltages. This has the advantage that when charging the energy storage, which can happen over a long period of time, all modules are reloaded to the original voltage.
  • the second operating state corresponds to readiness for support of the energy store. If the energy store is now charged in such a way that it can theoretically carry out grid support, which does not necessarily have to correspond to a full charge, then it has proven to be advantageous for the module voltages to be balanced to the same value, taking into account a tolerance ,
  • each of the energy storage modules and / or the modules is assigned at least one balancing module, which is designed to regulate and / or control the module voltage.
  • the balancing module can thereby directly affect the individual module voltages, for example by adding charge or removing charge. It is also conceivable that the balancing module affects all module voltages of a module. It is also conceivable that alternatively or additionally the module-internal balancing systems are designed for setting the module voltages.
  • the module voltages and / or the module voltages are set as a function of a current residual capacity of the respective energy storage module.
  • the current residual capacity may result from aging or by Temperaturer phenomena.
  • the module voltages and / or the module voltages, depending on a healthy state of the energy storage cells in the respective energy storage module set.
  • a healthy state of the energy storage cells it may be necessary to provide for certain reserves or, in the case of a particularly good state of health, correspondingly fewer reserves. This can also be set in the method described above.
  • an energy storage module has a module voltage of at least 40 V, 60 V or 80 V or 100 V. Such modules are then connected in series in a wide ren embodiment in strands, wherein one strand has a strand voltage of at least 1.5 kV, 2 kV, 3 kV, 4 kV or 5 kV.
  • each of the energy storage modules has a plurality of energy storage cells connected in series and / or in parallel, the cell voltages of the energy storage cells being determined by means of another energy storage cell
  • Balancing procedure are adjustable.
  • the present method has the particular advantage that the module voltages can be adjusted independently of the module-internal balancing method, it is also conceivable that a coordination of the two balancing methods takes place.
  • the object is further provided by a controller for an energy store, comprising at least one processor which is designed to output control signals for setting module voltages depending on a first operating state and a second operating state by means of a method according to the invention and an interface for transmitting and / or or receiving the control signals is formed.
  • the control signals can be setpoints for a balancing circuit which controls and / or regulates the module voltages and / or the cell voltages.
  • control signals current actual values from the modules can be transmitted to the controller, which evaluates them and uses them to generate new control signals.
  • the control serves to set the first module voltage different from the second module voltage in a first operating state and to set the first module voltage equal to the second module voltage in a loading operating state, taking into account a tolerance.
  • the controller can be arranged decentralized or di rectly on the energy storage.
  • the controller can communicate with the energy storage modules using common industrial communication methods. For example, and not exclusively, PROFINET, PROFIBUS, CAN-BUS, M-Bus,
  • BACnet BACnet
  • Modbus BACnet
  • other industrial or communication methods from the power engineering sector. These methods may be e.g. based on Ethernet, Powerline or even wireless communication methods.
  • an energy storage device for a power supply network comprising at least a first energy storage module, a second energy storage module and a control according to the invention.
  • the object is further ge by an energy storage module triggers, which has at least one module interface, which is for transmitting and / or receiving control signals for SET len of the module voltage depending on the operating state remplibil det.
  • the module interface can directly with a
  • Balancing module communicate, which is the module voltage can be adjusted, eg by adding or removing from charge.
  • the balancing module may be part of the energy storage modules or be provided separately.
  • the object is further achieved by an assembly having a plurality of energy storage modules, wherein the energy storage modules have at least one module interface, which is designed for transmitting and / or receiving control signals for adjusting the module voltage depending on the operating state.
  • a central controller may further be designed to output Sollwer th for the module voltages of the individual Energy Eatmo module depending on the operating condition. Based on these setpoints control methods can be carried out with appro priate adjusting means. Such adjusting means may be module chargers.
  • the strand Sl is part of an energy storage device 1, not shown here.
  • the interior view of the energy storage module M2 can be seen schematically, where the energy storage cells C1,..., Cn are drawn are.
  • the energy storage cells Cl,..., Cn may be so-called supercapacitors, ultracapacitors or further double-layer capacitors and their further developments or other forms of electrical energy storage.
  • the module voltages UM1, UM2, UMn which respectively represent the module voltage UM1, UM2, UMn resulting from the individual cell voltages, for the respective energy storage modules M1, M2, Mn.
  • the sum of the module voltages UMl, ..., UMn gives the string voltage US1 of the
  • Cl,..., Cn is the module voltage to be achieved and the open-circuit voltage of the energy storage cells used
  • phase voltages in the range of 12 kV are in the usual range.
  • RACK2, RACKs that together form a strand Sl.
  • the strand can be extended by further assemblies RACK1, RACK2, RACKn, depending on the application and the required voltage.
  • Subassemblies RACK1, RACK2, RACKn or energy storage modules Ml,..., Mn connected in parallel increase the power by the possibility correspondingly more To provide electricity.
  • the modules RACK1, RACK2, RACKn each include energy storage modules Ml, ..., Mn, wherein the number of energy storage modules according to the he fordable and manageable voltage of a module
  • RACK1, ..., RACKn The numbers shown are only to be regarded as exemplary and can be adapted as required (voltage / power / capacity / ).
  • the arranged in the module RACK1 energy storage modules M1, ..., M4 each have a module interface MCOM.
  • the module interfaces MCOM are combined in an assembly interface RCOM1.
  • the module interfaces MCOM deliver the current module voltage UM and other relevant parameters to the module interface RCOM1.
  • the module interface RCOM1 can pass on the voltage values in sum form or individually to a controller PLC, for example a programmable logic controller on the energy storage level or the partial energy storage level.
  • the module RACK2 has an assembly interface RCOM2, which in this case is not directly in communication with the individual energy storage modules M21,..., M24.
  • the module interface RCOM2 only passes on the group voltage to the higher-level controller PLC. This is particularly advantageous if a separate balancing is used within the module RACK2.
  • the individual module voltages can be calculated (averaged) from the rack voltage and still be used.
  • the module RACKn in which the module communication units MCOM of the energy storage modules Mnl, ..., Mn4 can communicate directly via a communication connection to the controller PLC.
  • the controller PLC has at least one processor CPU, which is designed to output control signals for setting module voltages UM1, UM2 depending on the operating state SOP1, SOP2 of the energy store and / or the modules.
  • the controller PLC further has an interface INT, the is designed for transmitting and / or receiving the control signals.
  • the controller PLC can be arranged completely centrally, which is particularly advantageous if a powerful communication infrastructure is available.
  • the controller PLC is responsible for only a part of the energy storage modules Ml, ..., Mn4, and there is still a higher-level control that coordinates the subordinate Steue ments. If the existing Ltdunikationsinfra structure is less powerful, ei ne distribution of the control CTRL in a master-slave system may prove advantageous.
  • the energy storage modules Ml, ..., Mn4 can thereby internal Balancingscen for individual energy storage cells or parallel circuits of cells aufwei sen. These can be active, ie energy is transferred by electrical circuits, or passive, ie energy is consumed via a resistor, be formed. It is conceivable that for each module RACK1, RACK2, RACKn one
  • the individual Energyspei chermodule Ml, ..., Mn passive discharges or actively energy within the module RACK1, RACK2, RACKn of a Energyspei chermodul Ml, ..., Mn transferred to another.
  • the present method can be used flexibly and is compatible with all variants.
  • FIG. 4 shows a voltage curve of two module voltages UM1, UM2 in the case of a discharge with a current characteristic, in the diagram above, by a current II.
  • the module voltages UM1, UM2 are respectively associated with the associated energy storage modules M1, M2 of an energy store 1, which are not ge are shown, the module voltages UM1, UM2 are shown in the lower diagram.
  • the discharge is carried out with a current II.
  • a recharge of the two energy storage modules Ml, M2 is carried out by means of the current 12 and the current 13, which manifests accordingly in increasing module voltages UM1, UM2.
  • the two module voltages UM1, UM2 start at the same voltage value U0.
  • the module voltages UM1, UM2 are correspondingly smaller. It should be observed that the module voltage UM2 will be significantly smaller than the module voltage UM1, ie the two voltages UM1, UM2 will drift apart. This may be due, for example, to the energy storage modules M1, M2 having a different capacitance tolerance, e.g. due to aging effects. As a result, a difference in voltage occurs.
  • the capacitance tolerance be characterized by differences in the actual capacity of the energy storage modules or the energy storage cells used therein, which is reflected in different voltages of the energy storage modules in a discharge by an equal amount of electricity.
  • the end of the support process with the current II in this case characterizes the beginning of a first operating state SOP1 in which different module voltages UM1, UM2 can be set.
  • the module voltages UM1, UM2 Kings NEN be tolerated differently.
  • the last module voltage UM1, UM2 can be actively detected and, for example, only the compensation of leakage current losses can be permitted.
  • the voltage difference AU1 can also be stored as a setpoint. As setpoints for a balancing electronics / circuit, the values after the discharge, for example, become cyclical transferred back to the individual modules.
  • the first operating state SOP1 is then maintained when the currents 12 and 13 flow, so the energy storage is charged. This recharge does not have to be in a tight time relation to the discharge, but rather it can be much longer periods between discharge and recharge. It is conceivable that a very slow recharging takes place, the first operating state SOP1 is thus kept very long.
  • the current 12 causes only a slight charge of the energy storage modules Ml, M2 / of the energy storage, which manifests itself in increasing Modulspan voltages UM1, UM2.
  • the energy storage modules Ml, M2 are still in the first operating state SOP1.
  • the invention relates to a method for Be driving an energy storage device 1 for a power supply comprising a first energy storage module Ml comprising a first module voltage UM1 and a second energy storage module M2 having a second module voltage UM2.
  • a first operating state SOP1 the first module voltage UM1 be set differently from the second module voltage UM2 and in a second operating state SOP2 under consideration Tolerance TOL the first module voltage UM1 is set equal to the second module voltage UM2.
  • the invention further relates to a control PLC, an energy storage 1, an energy storage module Ml, ..., Mn and an assembly
  • Each of the energy storage modules Ml, ..., Mn in this case has at least a plurality of energy storage cells CI,..., Cn connected in series and / or in parallel.

Abstract

The invention relates to a method for operating an energy store (1) for an energy supply network, comprising a first energy storage module (M1) having a first module voltage (UM1) and a second energy storage module (M2) having a second module voltage (UM2). In order to make efficient equalisation of charging possible between the energy storage modules, the first module voltage (UM1) can be set differently from the second module voltage (UM2) in a first operating state (SOP1), and in a second operating state (SOP2) the first module voltage (UM1) is set identically to the second module voltage (UM2) by taking a into account a tolerance (TOL). The invention further relates to a controller (PLC), an energy store (1) and an energy storage module (Μ1,.,.,Μn) and an assembly (RACK1, RACKn). Each of the energy storage modules (Μ1,.,.,Μn) has at least a plurality of energy storage cells (C1,...,Cn) connected in series and/or in parallel.

Description

Beschreibung description
Betreiben eines Energiespeichers Operating an energy storage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers für ein Energieversorgungsnetz, der zum Speichern elektrischer Energie ausgebildet ist. Der Energie speicher kann wenigstens einen Strang aus in Serie geschalte ten Energiespeichermodulen aufweisen. Der Energiespeicher um fasst dabei zumindest ein erstes Energiespeichermodul, das eine erste Modulspannung aufweist und ein zweites Energie speichermodul, das eine zweite Modulspannung aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerung, einen Energie speicher, ein Energiespeichermodul und eine Baugruppe. Jedes der Energiespeichermodule weist dabei wenigstens mehrere in Serie und/oder parallel geschaltete Energiespeicherzellen auf . The invention relates to a method for operating an energy store for a power supply network, which is designed to store electrical energy. The energy storage device may comprise at least one strand of serially connected energy storage modules. The energy storage includes at least a first energy storage module, which has a first module voltage and a second energy storage module, which has a second module voltage. The invention further relates to a controller, an energy storage, an energy storage module and an assembly. Each of the energy storage modules has at least a plurality of energy storage cells connected in series and / or in parallel.
Ein derartiger Energiespeicher kommt bevorzugt zur Sicherung der Stabilität von Energieversorgungsnetzen zum Einsatz. Die Energiespeicher können dazu kurzfristig enorm hohe Leistungen an das Energieversorgungsnetz abgeben und das Energieversor gungsnetz in kritischen Situationen stabilisieren. Die Form des Energiespeichers kann technologisch unterschiedlich sein und wird auch ggf. nach der Art und Dauer der benötigten Stützzeit beeinflusst sein. Denkbar ist eine Dimensionierung des Energiespeichers, die eine Abgabe von 50 Megawatt (MW) über 5 Sekunden ermöglicht. Die Bereitschaft des Energiespei chers eine Stützung des Energieversorgungsnetzes im Bereich von mehreren MW über zumindest eine Sekunde hinweg durchzu führen wird auch als Stützbereitschaft bezeichnet. Such an energy store is preferably used to secure the stability of power supply networks. In the short term, the energy storage units can deliver enormously high power to the energy supply network and stabilize the energy supply network in critical situations. The shape of the energy store can be technologically different and will also be influenced by the type and duration of the required support time. A dimensioning of the energy storage device is conceivable, which allows a delivery of 50 megawatts (MW) over 5 seconds. The readiness of the energy storage device to provide support for the power supply network in the range of several MW over at least one second is also referred to as readiness for support.
Eine Energiespeicherzelle oder Zelle ist der eigentliche Energiespeicher und wird meist ohne jegliche Zusatzelektronik ausgeliefert. Energiespeicherzellen sind als Handelsware in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Als Ausführungsform kann sie z.B. als Doppelschichtkondensator, die wiederum als Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren ausgebildet sein können oder als Lithium-Ionen-Zelle realisiert sein. Je nach verwendeter Zellchemie liegt die Zellspannung für einen Dop pelschichtkondensator im Bereich von ca. 2,5V und die Zell spannung für einen Lithium-Ionen-Akkumulator bei ca. 3,8V. Im Vergleich zur Spannung eines Energieverteilungsnetzes (z.B.An energy storage cell or cell is the actual energy storage and is usually delivered without any additional electronics. Energy storage cells are available as merchandise in various designs. As an embodiment, it may be formed, for example, as a double-layer capacitor, which in turn may be in the form of supercapacitors or ultracapacitors can be realized or as a lithium-ion cell. Depending on the cell chemistry used, the cell voltage for a Dop pelschichtkondensator in the range of about 2.5V and the cell voltage for a lithium-ion battery at about 3.8V. Compared to the voltage of an energy distribution network (eg
>1 kV, 10 kV, usw.) sind die Spannungen der Energiespeicher zelle als extrem niedrig anzusehen. > 1 kV, 10 kV, etc.), the voltages of the energy storage cell must be considered extremely low.
Ein Energiespeichermodul, kurz auch Modul, ist eine Schaltung aus seriell und parallel verschalteten Energiespeicherzellen und kann eine dazugehörige Steuerelektronik zur Überwachung, Diagnose und Symmetrierung der einzelnen Energiespeicherzel len aufweisen. Diese Steuerelektronik wird als Batterie- Management-System (BMS) bzw. Capacitor-Management-System (CMS) , bei der Verwendung von Kondensatoren als Energiespei cher, bezeichnet. Ein Energiespeichermodul ist in verschiede nen Formfaktoren und/oder Energiespeichermodulspannungen z.B. 12V, 24V, 48V, 125V erhältlich. Der Formfaktor des Energie speichermoduls wird im Wesentlichen durch den physikalisch technisch speicherbaren Energieinhalt je Einheit Raumvolumen bestimmt. Im Vergleich zur Spannung eines Energievertei lungsnetzes (z.B. >1 kV, 10 kV, usw.) sind die Spannungen der Energiespeichermodule als niedrig anzusehen. Da die Zielspan nung des Energiespeichers sehr hoch ist, bieten sich Module mit Spannungen > 100 V besonders an. Die Steuerelektronik be nötigt eine Speisespannung, die entweder auf Energiespeicher modulebene erzeugt wird oder extern an das Energiespeichermo dul angelegt werden muss. Das Energiespeichermodul kann auch über einen Kommunikationsanschluss oder Interface verfügen, über den die Daten des Energiespeichermoduls an eine überge ordnete Steuerung zur weiteren Verarbeitung übertragen werden können. In Energiespeichermodulen kommen häufig komplexe Ver fahren zum Einsatz, die den Ladezustand (auch State of Char ge, kurz SoC) und den Gesundheitszustand (auch State of An energy storage module, in short module, is a circuit of serially and in parallel interconnected energy storage cells and may have an associated control electronics for monitoring, diagnosis and balancing of the individual Energiespeicherzel sources. This control electronics is referred to as Battery Management System (BMS) or Capacitor Management System (CMS), when using capacitors as Energiespei cher. An energy storage module is available in various form factors and / or energy storage module voltages, e.g. 12V, 24V, 48V, 125V available. The form factor of the energy storage module is essentially determined by the physically technically storable energy content per unit room volume. In comparison with the voltage of an energy distribution network (for example> 1 kV, 10 kV, etc.), the voltages of the energy storage modules are considered to be low. Since the target voltage of the energy store is very high, modules with voltages> 100 V are particularly suitable. The control electronics require a supply voltage that is either generated on the energy storage module level or must be externally applied to the energy storage module. The energy storage module may also have a communication port or interface via which the data of the energy storage module can be transmitted to a superior control for further processing. Energy storage modules often use complex processes that determine the state of charge (also known as the state of charge, or SoC) and the state of health (also State of
Health, kurz SoH) der einzelnen Zellen bestimmen und einen potentiellen Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Zellen ermöglichen . Ein Strang ist dabei eine Serienschaltung von mehreren Ener giespeichermodulen. Es ist möglich mehrere Stränge parallel zu betreiben, um die Leistung zu erhöhen. Ein Ladungsaus gleich, auch Balancing genannt, ist nicht nur zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen nötig, sondern durch die Vielzahl an in Serie geschalteten Modulen auch zwischen den einzelnen Modulen vorteilhaft. Health, short SoH) of the individual cells and allow a potential charge balance between the individual cells. One strand is a series connection of several energy storage modules. It is possible to run several strands in parallel to increase the power. An equal charge, also called balancing, is not only necessary between the individual energy storage cells, but also advantageous between the individual modules due to the large number of modules connected in series.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers anzugeben, das einen effizi enten Ladungsausgleich zwischen den Energiespeichermodulen ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Ener giespeichermodul, eine Baugruppe sowie einen Energiespeicher anzugeben . Object of the present invention is to provide a method for operating an energy storage device that allows effizi enten charge balance between the energy storage modules. It is another object of the invention to provide an energy giespeichermodul, an assembly and an energy storage.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass in einem ersten Betriebszustand die erste Modulspannung verschieden von der zweiten Modulspannung einstellbar ist und dass in ei nem zweiten Betriebszustand unter Berücksichtigung einer To leranz die erste Modulspannung gleich der zweiten Modulspan nung eingestellt wird. To solve this problem it is proposed that in a first operating state, the first module voltage is different from the second module voltage adjustable and that in egg nem second operating state, taking into account a To leranz the first module voltage equal to the second module clamping voltage is set.
Die Modulspannung ergibt sich dabei aus der Anzahl der ver wendeten Speicherzellen sowie deren aktuellen Ladezustand. Durch Hinzufügen von elektrischer Ladung zu den einzelnen Mo dulen kann das Modul aufgeladen werden und die Spannung er höht sich dementsprechend; bei einer Entladung erniedrigt sich die Spannung dementsprechend. The module voltage results from the number of ver used memory cells and their current state of charge. By adding electrical charge to the individual modules, the module can be charged and the voltage increases accordingly; during a discharge, the voltage decreases accordingly.
Es wird davon ausgegangen, dass die Module Kapazitätstoleran- zen aufweisen. Diese Kapazitätstoleranzen können durch alte rungsbedingte Effekte oder schlichtweg Produktionstoleranzen entstehen und haben in der Praxis zur Folge, dass ein Entla den oder ein Laden mit dem gleichen Strom in einer ungleichen Spannung resultiert. It is assumed that the modules have capacitance tolerances. These capacitance tolerances can arise from old conditional effects or simply production tolerances and, in practice, result in discharging or charging with the same current resulting in uneven voltage.
Es hat sich dabei unerwartet herausgestellt, dass es vorteil haft sein kann, in gewissen Betriebszuständen des Energie- Speichers unterschiedliche Modulspannung zu tolerieren und diese Unterschiede aktiv oder passiv beizubehalten, bzw. kei ne Angleichung aktiv einstellen zu lassen. Dies kennzeichnet den ersten Betriebszustand. Im zweiten Betriebszustand kann dann auf eine gleiche Modulspannung symmetriert werden. Dies geschieht unter Berücksichtigung einer Toleranz, die abhängig von der Anforderung an den jeweiligen Energiespeicher festzu legen ist und deren Abweichung im Rahmen einer Gleichheit der Spannung akzeptiert wird. Das Berücksichtigen der Toleranz führt zu einer noch effizienteren Umsetzung des vorliegenden Verfahrens. Die Toleranz kann dabei beispielsweise bei einer Modulspannung von 125V einige Volt betragen, kann aber je nach Anforderung auch geringer ausfallen. It has unexpectedly emerged that it may be advantageous to operate in certain operating states of the energy Memory to tolerate different module voltage and active or passive to maintain these differences, or no ne adjustment to be actively set. This indicates the first operating condition. In the second operating state can then be balanced to an equal module voltage. This is done taking into account a tolerance which is set depending on the requirement of the respective energy storage and whose deviation is accepted in the context of equality of the voltage. The consideration of the tolerance leads to an even more efficient implementation of the present method. The tolerance can be a few volts, for example, at a module voltage of 125V, but can also be lower depending on the requirements.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Energiespeicher zum Bereitstellen von wenigstens 10 MW über einen Zeitraum von wenigstens 1 Sekunde ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der Energiespeicher für die Stützung eines Energieversor gungsnetzes besonders geeignet ist. In a further embodiment, the energy store is designed to provide at least 10 MW over a period of at least 1 second. This has the advantage that the energy storage for the support of a power supply network is particularly suitable.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen zu einer Baugruppe zusammengefasst, die jeweils eine Baugruppenspannung aufweisen, wobei die Bau gruppenspannung abhängig von einem Betriebszustand des Ener giespeichers einstellbar ist. Da die zu erreichenden Spannun gen auf Energieversorgungsniveau sehr hoch sind, kann es sich als vorteilhaft erweisen, mehrere Module in Baugruppen zusam menzufassen und nicht nur die Modulspannungen einzustellen, sondern auch eine übergeordnete Baugruppenspannung einzustel len. Es kann sich ebenso der Vorteil ergeben, der hinsicht lich der von einer zentralen Steuerung zu verarbeitenden Da tenmenge besteht, wenn anstatt von Modulspannungen nur die Baugruppenspannungen von einer übergeordneten Steuerung über wacht und eingestellt werden. Es ist möglich, dass die Bau gruppenspannung nicht direkt einstellbar ist, sondern nur in direkt über die in der Baugruppe verbauten Module und deren Modulspannungen einstellbar ist. In einer weiteren Ausführungsform entspricht der erste Be triebszustand einem Zeitraum vor und/oder während einer Auf ladung des Energiespeichers. Dieser Zeitraum kann dadurch de finiert sein, dass kurz zuvor eine Netzstützung stattgefunden hat und eine Differenzspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeichermodul vorliegt. Der Energiespeicher wurde also kürzlich zumindest teilweise entladen. Haben sich unterschiedliche Modulspannungen eingestellt, so basieren diese auf Kapazitätstoleranzen der Module. Es hat sich nun als vorteilhaft herausgestellt, in diesem ersten Betriebszu stand unterschiedliche Modulspannungen zu tolerieren und die se unterschiedlichen Modulspannungen sogar in einem weiteren Schritt als aktuelle Referenzwerte für eine Regelung/Steue rung der jeweiligen Modulspannungen zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Aufladung des Energiespeichers, was über einen langen Zeitraum hinweg geschehen kann, alle Module wieder auf die ursprüngliche Spannung zurückgeladen werden . In a further embodiment, a plurality of energy storage modules are combined to form an assembly, each having a module voltage, wherein the construction group voltage is dependent on an operating state of the energy giespeichers adjustable. Since the voltages to be achieved voltages on energy supply level are very high, it may prove advantageous to menzufassen several modules in modules and not only adjust the module voltages, but also a higher module voltage einzustel sources. It can also give the advantage of respect to the Lich to be processed by a central control Da amount exists, if instead of module voltages only the module voltages are monitored and set by a higher-level control. It is possible that the construction group voltage is not directly adjustable, but only in directly on the modules installed in the module and their module voltages is adjustable. In a further embodiment, the first operating state corresponds to a time period before and / or during a charge of the energy store. This period can be defined by the fact that shortly before a grid support has taken place and there is a differential voltage between the first and the second energy storage module. The energy storage has thus recently been at least partially discharged. If different module voltages have been set, these are based on capacitance tolerances of the modules. It has now been found to be advantageous to tolerate different module voltages in this first operating state and to use the different module voltages even in a further step as current reference values for a regulation / control of the respective module voltages. This has the advantage that when charging the energy storage, which can happen over a long period of time, all modules are reloaded to the original voltage.
In einer weiteren Ausführungsform entspricht der zweite Be triebszustand einer Stützbereitschaft des Energiespeichers. Ist der Energiespeicher nun derartig geladen, dass er theore tisch eine Netzstützung durchführen kann, was nicht unbedingt einer vollen Aufladung entsprechen muss, so hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Modulspannungen auf den gleichen Wert, unter Berücksichtigung einer Toleranz, symme- triert werden. In a further embodiment, the second operating state corresponds to readiness for support of the energy store. If the energy store is now charged in such a way that it can theoretically carry out grid support, which does not necessarily have to correspond to a full charge, then it has proven to be advantageous for the module voltages to be balanced to the same value, taking into account a tolerance ,
In einer weiteren Ausführungsform ist jedem der Energiespei- chermodule und/oder der Baugruppen wenigstens ein Balancing- Modul zugewiesen, das zum Regeln und/oder Steuern der Modul spannung ausgebildet ist. Das Balancing-Modul kann dabei di rekt die einzelnen Modulspannungen beeinflussen, in dem es beispielsweise Ladung hinzufügt oder Ladung entfernt. Es ist ebenso denkbar, dass das Balancing-Modul alle Modulspannungen einer Baugruppe beeinflusst. Es ist ebenso denkbar, dass alternativ oder zusätzlich die modulinternen Balancing-Systeme zum Einstellen der Modulspan nungen ausgebildet sind. In a further embodiment, each of the energy storage modules and / or the modules is assigned at least one balancing module, which is designed to regulate and / or control the module voltage. The balancing module can thereby directly affect the individual module voltages, for example by adding charge or removing charge. It is also conceivable that the balancing module affects all module voltages of a module. It is also conceivable that alternatively or additionally the module-internal balancing systems are designed for setting the module voltages.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Modulspannungen und/oder die Baugruppenspannungen abhängig von einer aktuellen Restkapazität des jeweiligen Energiespei chermoduls eingestellt. Die aktuelle Restkapazität kann sich dabei durch Alterungserscheinungen oder durch Temperaturer scheinungen ergeben. Hier kann es nötig sein, die Modulspan nungen zusätzlich anzupassen. In a further advantageous embodiment, the module voltages and / or the module voltages are set as a function of a current residual capacity of the respective energy storage module. The current residual capacity may result from aging or by Temperaturer phenomena. Here it may be necessary to additionally adjust the module voltages.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Modulspannungen und/oder die Baugruppenspannungen, abhängig von einem Gesund heitszustand der Energiespeicherzellen in dem jeweiligen Energiespeichermodul, eingestellt. Es kann sich in bestimmten Gesundheitszuständen der Energiespeicherzellen die Notwendig keit ergeben, gewisse Reserven oder bei besonders gutem Ge sundheitszustand dementsprechend weniger Reserven vorzusehen. Dies kann ebenso in dem eingangs beschriebenen Verfahren ein gesetzt werden. In a further embodiment, the module voltages and / or the module voltages, depending on a healthy state of the energy storage cells in the respective energy storage module, set. In certain health states of the energy storage cells, it may be necessary to provide for certain reserves or, in the case of a particularly good state of health, correspondingly fewer reserves. This can also be set in the method described above.
In einer weiteren Ausführungsform weist ein Energiespeicher modul eine Modulspannung von wenigstens 40 V, 60 V oder 80 V oder 100 V auf. Derartige Module werden dann in einer weite ren Ausführungsform in Strängen in Serie geschaltet, wobei ein Strang eine Strangspannung von wenigstens 1,5 kV, 2 kV, 3 kV, 4 kV oder 5 kV aufweist. In a further embodiment, an energy storage module has a module voltage of at least 40 V, 60 V or 80 V or 100 V. Such modules are then connected in series in a wide ren embodiment in strands, wherein one strand has a strand voltage of at least 1.5 kV, 2 kV, 3 kV, 4 kV or 5 kV.
In einer weiteren Ausführungsform weist jedes der Energie- speichermodule eine Mehrzahl von in Serie und/oder parallel geschalteten Energiespeicherzellen auf, wobei die Zellspan nungen der Energiespeicherzellen mittels eines weiteren In a further embodiment, each of the energy storage modules has a plurality of energy storage cells connected in series and / or in parallel, the cell voltages of the energy storage cells being determined by means of another energy storage cell
Balancing-Verfahrens einstellbar sind. Das vorliegende Ver fahren hat den besonderen Vorteil, dass die Modulspannungen unabhängig von dem modulinternen Balancing-Verfahren einge stellt werden kann, ebenso ist denkbar, dass eine Koordinati on der beiden Balancing-Verfahren stattfindet. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Steuerung für einen Energiespeicher, aufweisend zumindest einen Prozessor der zum Ausgeben von Steuersignalen zum Einstellen von Modulspannun gen abhängig von einem ersten Betriebszustand und einem zwei ten Betriebszustand mittels einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet ist und eine Schnittstelle, die zum Senden und/oder Empfangen der Steuersignale ausgebildet ist. Die Steuersignale können dabei Sollwerte für eine Balancingschal- tung sein, die die Modulspannungen und/oder die Zellspannun gen steuert und/oder regelt. Ebenfalls als Steuersignale kön nen aktuelle Istwerte aus den Modulen an die Steuerung über tragen werden, die diese Auswertet und zur Generierung neuer Steuersignale verwendet. Die Steuerung dient dazu, in einem ersten Betriebszustand die erste Modulspannung verschieden von der zweiten Modulspannung einzustellen und in einem Be triebszustand unter Berücksichtigung einer Toleranz die erste Modulspannung gleich der zweiten Modulspannung einzustellen. Die Steuerung kann dabei dezentral angeordnet sein oder di rekt am Energiespeicher. Die Steuerung kann dabei mit gängi gen industriellen Kommunikationsverfahren mit den Energie speichermodulen kommunizieren. Dabei wären beispielsweise und nicht abschließend PROFINET, PROFIBUS, CAN-BUS, M-Bus, Balancing procedure are adjustable. The present method has the particular advantage that the module voltages can be adjusted independently of the module-internal balancing method, it is also conceivable that a coordination of the two balancing methods takes place. The object is further provided by a controller for an energy store, comprising at least one processor which is designed to output control signals for setting module voltages depending on a first operating state and a second operating state by means of a method according to the invention and an interface for transmitting and / or or receiving the control signals is formed. The control signals can be setpoints for a balancing circuit which controls and / or regulates the module voltages and / or the cell voltages. Likewise, as actual control signals, current actual values from the modules can be transmitted to the controller, which evaluates them and uses them to generate new control signals. The control serves to set the first module voltage different from the second module voltage in a first operating state and to set the first module voltage equal to the second module voltage in a loading operating state, taking into account a tolerance. The controller can be arranged decentralized or di rectly on the energy storage. The controller can communicate with the energy storage modules using common industrial communication methods. For example, and not exclusively, PROFINET, PROFIBUS, CAN-BUS, M-Bus,
BACnet, Modbus und weitere industrielle oder Kommunikations verfahren aus der Energietechnik zu nennen. Diese Verfahren können dabei z.B. auf Ethernet, Powerline oder sogar drahtlo sen Kommunikationsverfahren basieren.  BACnet, Modbus and other industrial or communication methods from the power engineering sector. These methods may be e.g. based on Ethernet, Powerline or even wireless communication methods.
Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Energiespeicher für ein Energieversorgungsnetz gelöst, der zumindest ein erstes Energiespeichermodul, ein zweites Energiespeichermodul sowie eine erfindungsgemäße Steuerung umfasst. The object is further achieved by an energy storage device for a power supply network comprising at least a first energy storage module, a second energy storage module and a control according to the invention.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Energiespeichermodul ge löst, das wenigstens eine Modulschnittstelle aufweist, die zum Senden und/oder Empfangen von Steuersignalen zum Einstel len der Modulspannung abhängig vom Betriebszustand ausgebil det ist. Die Modulschnittstelle kann direkt mit einem The object is further ge by an energy storage module triggers, which has at least one module interface, which is for transmitting and / or receiving control signals for SET len of the module voltage depending on the operating state ausgebil det. The module interface can directly with a
Balancingmodul in Verbindung stehen, das die Modulspannung einstellen kann, z.B. durch hinzufügen oder entnehmen von La dung. Das Balancingmodul kann Teil der Energiespeichermodule sein oder separat vorgesehen sein. Balancing module communicate, which is the module voltage can be adjusted, eg by adding or removing from charge. The balancing module may be part of the energy storage modules or be provided separately.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Baugruppe gelöst, die eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen aufweist, wobei die Energiespeichermodule wenigstens eine Modulschnittstelle auf weisen, die zum Senden und/oder Empfangen von Steuersignalen zum Einstellen der Modulspannung abhängig vom Betriebszustand ausgebildet ist. The object is further achieved by an assembly having a plurality of energy storage modules, wherein the energy storage modules have at least one module interface, which is designed for transmitting and / or receiving control signals for adjusting the module voltage depending on the operating state.
Eine zentrale Steuerung kann ferner zum Ausgeben von Sollwer ten für die Modulspannungen der einzelnen Energiespeichermo dule abhängig vom Betriebszustand ausgebildet sein. Basierend auf diesen Sollwerten können Regelungsverfahren mit geeigne ten Stellmitteln durchgeführt werden. Derartige Stellmittel können Modul-Ladegeräte sein. A central controller may further be designed to output Sollwer th for the module voltages of the individual Energiespeichermo module depending on the operating condition. Based on these setpoints control methods can be carried out with appro priate adjusting means. Such adjusting means may be module chargers.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Bei Spannungen handelt es sich im Folgenden um elektrische Spannungen. Dabei zeigen In the following the invention will be described in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures and he explained. Voltages are in the following electrical voltages. Show
FIG 1 einen Strang eines Energiespeichers mit seinen 1 shows a strand of an energy storage with his
TeilSpannungen  subvoltages
FIG 2 den Aufbau eines Energiespeichers aus seinen Kompo nenten  2 shows the structure of an energy storage device from its compo nents
FIG 3 einen Strang eines Energiespeichers mit einer Steu erung  3 shows a strand of energy storage with a STEU tion
FIG 4 einen Spannungs- und Stromverlauf eines Energie  4 shows a voltage and current profile of an energy
speichermoduls im Betrieb  Memory module in operation
FIG 1 zeigt beispielhaft einen Strang Sl, der aus Energie speichermodulen Ml, M2, Mn, die in Serie geschaltet sind, ausgebildet ist. Der Strang Sl ist dabei Teil eines hier nicht dargestellten Energiespeichers 1. Beispielhaft ist schematisch die Innenansicht des Energiespeichermoduls M2 zu sehen, wo die Energiespeicherzellen Cl,...,Cn eingezeichnet sind. Bei den Energiespeicherzellen Cl,...,Cn kann es sich um so genannte Superkondensatoren, Ultrakondensatoren oder wei tere Doppelschichtkondensatoren und deren Weiterentwicklungen oder andere Formen von elektrischen Energiespeichern handeln. Weiterhin eingezeichnet sind die Modulspannungen UM1, UM2, UMn, die jeweils die aus den einzelnen Zellspannungen resul tierende Modulspannung UM1, UM2, UMn für die jeweiligen Ener- giespeichermodule Ml, M2, Mn darstellen. Die Summe der Modul spannungen UMl,...,UMn ergibt die Strangspannung US1 des 1 shows an example of a strand Sl, the energy storage modules Ml, M2, Mn, which are connected in series, is formed. The strand Sl is part of an energy storage device 1, not shown here. By way of example, the interior view of the energy storage module M2 can be seen schematically, where the energy storage cells C1,..., Cn are drawn are. The energy storage cells Cl,..., Cn may be so-called supercapacitors, ultracapacitors or further double-layer capacitors and their further developments or other forms of electrical energy storage. Also shown are the module voltages UM1, UM2, UMn, which respectively represent the module voltage UM1, UM2, UMn resulting from the individual cell voltages, for the respective energy storage modules M1, M2, Mn. The sum of the module voltages UMl, ..., UMn gives the string voltage US1 of the
Strangs Sl. Strangs Sl.
FIG 2 zeigt den theoretischen Aufbau eines Energiespeichers 1 aus seinen einzelnen Komponenten. Beginnend mit den einzelnen Energiespeicherzellen Cl,...,Cn werden Energiespeichermodule Ml,..., Mn aus, in diesem Beispiel 48, Energiespeicherzellen Cl,...,Cn aufgebaut. Die Anzahl der Energiespeicherzellen 2 shows the theoretical structure of an energy storage device 1 from its individual components. Starting with the individual energy storage cells Cl,..., Cn, energy storage modules M1,..., Mn are constructed, in this example 48, energy storage cells C1,..., Cn. The number of energy storage cells
Cl,...,Cn ist von der zu erreichenden Modulspannung sowie der LeerlaufSpannung der verwendeten Energiespeicherzellen Cl,..., Cn is the module voltage to be achieved and the open-circuit voltage of the energy storage cells used
Cl,...,Cn abhängig. Zehn der Energiespeichermodule Ml,..., Mn wer den in einer Baugruppe RACK1 , ..., RACKn vereint. Die Baugruppe ist in diesem Fall als eine Art Schaltschrank aufgebaut, der die Energiespeichermodule Ml,..., Mn in sich aufnehmen kann. Ei ne Vielzahl (z.B. 20) dieser Baugruppen RACK1 ,..., RACKn wird dann zu einem Strang Sl,...,Sn in Serie geschaltet, um die not wendige Spannung im kV-Bereich zu erhalten. Legt man in die sem Beispiel eine Zellspannung von 2,7 V zu Grunde, so erhält man Modulspannungen von 125 V, Baugruppenspannungen von Cl, ..., Cn dependent. Ten of the energy storage modules Ml, ..., Mn who in a module RACK1, ..., RACKn united. The assembly is constructed in this case as a kind of control cabinet, which can accommodate the energy storage modules Ml, ..., Mn in itself. A plurality (e.g., 20) of these assemblies RACK1, ..., RACKn are then connected in series to a string Sl, ..., Sn to obtain the necessary voltage in the kV range. If one assumes a cell voltage of 2.7 V in this example, module voltages of 125 V, module voltages of
1,25 kV und schließlich Strangspannungen von bis zu 25kV im vollständig geladenen Zustand. Im vorliegenden Beispiel sind Strangspannungen im Bereich von 12 kV im üblichen Bereich. 1.25 kV and finally strand voltages of up to 25kV in the fully charged state. In the present example, phase voltages in the range of 12 kV are in the usual range.
FIG 3 zeigt drei in Serie geschaltete Baugruppen RACK1, 3 shows three series-connected modules RACK1,
RACK2, RACKn, die zusammen einen Strang Sl ausbilden. Der Strang kann dabei um weitere Baugruppen RACK1, RACK2, RACKn erweitert werden, jeweils abhängig von der Anwendung und der benötigten Spannung. Parallel dazu geschaltete Baugruppen RACK1, RACK2, RACKn bzw. Energiespeichermodule Ml,..., Mn erhö hen die Leistung durch die Möglichkeit entsprechend mehr Strom zur Verfügung stellen zu können. Die Baugruppen RACK1, RACK2, RACKn umfassen jeweils Energiespeichermodule Ml,..., Mn, wobei sich die Anzahl der Energiespeichermodule nach der er forderlichen und handhabbaren Spannung einer Baugruppe RACK2, RACKs that together form a strand Sl. The strand can be extended by further assemblies RACK1, RACK2, RACKn, depending on the application and the required voltage. Subassemblies RACK1, RACK2, RACKn or energy storage modules Ml,..., Mn connected in parallel increase the power by the possibility correspondingly more To provide electricity. The modules RACK1, RACK2, RACKn each include energy storage modules Ml, ..., Mn, wherein the number of energy storage modules according to the he fordable and manageable voltage of a module
RACK1 ,..., RACKn richtet. Die dargestellten Anzahlen sind dabei nur als beispielhaft anzusehen und können je nach Bedarf (Spannung / Leistung / Kapazität / ...) angepasst werden. RACK1, ..., RACKn. The numbers shown are only to be regarded as exemplary and can be adapted as required (voltage / power / capacity / ...).
Die in der Baugruppe RACK1 angeordneten Energiespeichermodule M1,...,M4 weisen jeweils eine Modulschnittstelle MCOM auf. Die Modulschnittstellen MCOM werden in einer Baugruppenschnitt stelle RCOM1 zusammengeführt. Die Modulschnittstellen MCOM liefern die jeweils aktuelle Modulspannung UM sowie weitere relevante Parameter an die Baugruppenschnittstelle RCOM1. Die Baugruppenschnittstelle RCOM1 kann die Spannungswerte in Sum menform oder jeweils einzeln an eine Steuerung PLC, bei spielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung auf Ener giespeicherebene oder Teilenergiespeicherebene, weitergeben. The arranged in the module RACK1 energy storage modules M1, ..., M4 each have a module interface MCOM. The module interfaces MCOM are combined in an assembly interface RCOM1. The module interfaces MCOM deliver the current module voltage UM and other relevant parameters to the module interface RCOM1. The module interface RCOM1 can pass on the voltage values in sum form or individually to a controller PLC, for example a programmable logic controller on the energy storage level or the partial energy storage level.
Die Baugruppe RACK2 weist eine Baugruppenschnittstelle RCOM2 auf, die in diesem Fall nicht direkt mit den einzelnen Ener giespeichermodulen M21,...,M24 in Kommunikation steht. Hier ist denkbar, dass die Baugruppenschnittstelle RCOM2 nur die Bau gruppenspannungen an die übergeordnete Steuerung PLC weiter gibt. Dies besonders vorteilhaft, wenn innerhalb der Baugrup pe RACK2 ein gesondertes Balancing zum Einsatz kommt. Die einzelnen Modulspannungen können aus der Rackspannung errech net (gemittelt) werden und trotzdem weiterverwendet werden. The module RACK2 has an assembly interface RCOM2, which in this case is not directly in communication with the individual energy storage modules M21,..., M24. Here it is conceivable that the module interface RCOM2 only passes on the group voltage to the higher-level controller PLC. This is particularly advantageous if a separate balancing is used within the module RACK2. The individual module voltages can be calculated (averaged) from the rack voltage and still be used.
Schließlich ist in der Baugruppe RACKn eine weitere Variante gezeigt, in der die Modulkommunikationseinheiten MCOM der Energiespeichermodule Mnl,...,Mn4 direkt über eine Kommunikati onsverbindung mit der Steuerung PLC kommunizieren können. Die Steuerung PLC weist dabei zumindest einen Prozessor CPU auf, der zum Ausgeben von Steuersignalen zum Einstellen von Modul spannungen UM1, UM2 abhängig vom Betriebszustand SOP1, SOP2 des Energiespeichers und/oder der Module ausgebildet ist. Die Steuerung PLC weist ferner eine Schnittstelle INT auf, die zum Senden und/oder Empfangen der Steuersignale ausgebildet ist. Die Steuerung PLC kann dabei komplett zentral angeordnet sein, was besonders vorteilhaft ist, wenn eine leistungsfähi ge Kommunikationsinfrastruktur vorhanden ist. Ebenso ist denkbar, dass die Steuerung PLC nur für einen Teil der Ener- giespeichermodule Ml,...,Mn4 zuständig ist, und es noch eine Übergeordnete Steuerung gibt, die die untergeordneten Steue rungen koordiniert. Wenn die vorhandene Kommunikationsinfra struktur weniger leistungsfähig ausgeprägt ist, kann sich ei ne Aufteilung der Steuerung CTRL in ein Master-Slave System als vorteilhaft erweisen. Die Energiespeichermodule Ml,...,Mn4 können dabei interne Balancingschaltungen für einzelne Ener giespeicherzellen oder Parallelschaltungen von Zellen aufwei sen. Diese können aktiv, d.h. Energie wird durch elektrische Schaltungen umgeladen, oder passiv, d.h. Energie wird über einen Widerstand verbraucht, ausgebildet sein. Es ist denk bar, dass für jede Baugruppe RACK1, RACK2, RACKn eine Finally, a further variant is shown in the module RACKn, in which the module communication units MCOM of the energy storage modules Mnl, ..., Mn4 can communicate directly via a communication connection to the controller PLC. The controller PLC has at least one processor CPU, which is designed to output control signals for setting module voltages UM1, UM2 depending on the operating state SOP1, SOP2 of the energy store and / or the modules. The controller PLC further has an interface INT, the is designed for transmitting and / or receiving the control signals. The controller PLC can be arranged completely centrally, which is particularly advantageous if a powerful communication infrastructure is available. It is also conceivable that the controller PLC is responsible for only a part of the energy storage modules Ml, ..., Mn4, and there is still a higher-level control that coordinates the subordinate Steue ments. If the existing Kommunikationsinfra structure is less powerful, ei ne distribution of the control CTRL in a master-slave system may prove advantageous. The energy storage modules Ml, ..., Mn4 can thereby internal Balancingschaltungen for individual energy storage cells or parallel circuits of cells aufwei sen. These can be active, ie energy is transferred by electrical circuits, or passive, ie energy is consumed via a resistor, be formed. It is conceivable that for each module RACK1, RACK2, RACKn one
Balancingschaltung vorgesehen ist, die einzelne Energiespei chermodule Ml,..., Mn passiv entlädt oder aktiv Energie inner halb der Baugruppe RACK1, RACK2, RACKn von einem Energiespei chermodul Ml,..., Mn in ein weiteres transferiert. Das vorlie gende Verfahren ist flexibel einsetzbar und mit allen Varian ten kompatibel. Balancing circuit is provided, the individual Energiespei chermodule Ml, ..., Mn passive discharges or actively energy within the module RACK1, RACK2, RACKn of a Energiespei chermodul Ml, ..., Mn transferred to another. The present method can be used flexibly and is compatible with all variants.
Die gezeigten Varianten der Baugruppen RACK1, RACK2, RACKn können miteinander kombiniert werden oder es kann jeweils die gleiche Variante zum Einsatz kommen. Weitere Anordnungen der Modulschnittstellen MCOM bzw. der Baugruppenschnittstellen RCOM sind denkbar. The illustrated variants of the assemblies RACK1, RACK2, RACKn can be combined with each other or it can be used in each case the same variant. Further arrangements of the module interfaces MCOM or the module interfaces RCOM are conceivable.
FIG 4 zeigt einen Spannungsverlauf von zwei Modulspannungen UM1, UM2 bei einer Entladung mit einem Stromverlauf, im obe ren Diagramm, durch einen Strom II. Die Modulspannungen UM1, UM2 sind jeweils den dazugehörigen Energiespeichermodulen Ml, M2 eines Energiespeichers 1 zugeordnet, die hier nicht ge zeigt sind, deren Modulspannungen UM1, UM2 aber im unteren Diagramm dargestellt sind. Die Entladung wird mit einem Strom II durchgeführt. Anschließend und der Übersichtlichkeit hal- ber in dieselbe Richtung eingezeichnet, wird mittels des Stroms 12 und des Stroms 13 eine Wiederaufladung der beiden Energiespeichermodule Ml, M2 durchgeführt, die sich entspre chend in steigenden Modulspannungen UM1, UM2 äußert. 4 shows a voltage curve of two module voltages UM1, UM2 in the case of a discharge with a current characteristic, in the diagram above, by a current II. The module voltages UM1, UM2 are respectively associated with the associated energy storage modules M1, M2 of an energy store 1, which are not ge are shown, the module voltages UM1, UM2 are shown in the lower diagram. The discharge is carried out with a current II. Subsequently, and for the sake of clarity, ber drawn in the same direction, a recharge of the two energy storage modules Ml, M2 is carried out by means of the current 12 and the current 13, which manifests accordingly in increasing module voltages UM1, UM2.
Die beiden Modulspannungen UM1, UM2 starten beim gleichen Spannungswert U0. Durch die Entladung mittels eines im Ver hältnis zu den Strömen 12 und 13 großen Stroms II werden die Modulspannungen UM1, UM2 dementsprechend kleiner. Zu beobach ten ist, dass die Modulspannung UM2 wird dabei deutlich klei ner wird als die Modulspannung UM1, die beiden Spannungen UM1, UM2 also auseinanderdriften. Dies kann beispielsweise daran liegen, dass die Energiespeichermodule Ml, M2 eine un terschiedliche Kapazitätstoleranz aufweisen, z.B. durch Alte rungseffekte. Es stellt sich folglich ein Spannungsunter schied AUl ein. The two module voltages UM1, UM2 start at the same voltage value U0. By discharging by means of a ratio in relation to the currents 12 and 13 large current II, the module voltages UM1, UM2 are correspondingly smaller. It should be observed that the module voltage UM2 will be significantly smaller than the module voltage UM1, ie the two voltages UM1, UM2 will drift apart. This may be due, for example, to the energy storage modules M1, M2 having a different capacitance tolerance, e.g. due to aging effects. As a result, a difference in voltage occurs.
Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein neues Ener giespeichermodul Ml eingesetzt wird, das gegenüber dem be reits benutzten zweiten Energiespeichermodul M2 eine geringe re Kapazitätstoleranz aufweist. Die Kapazitätstoleranz be zeichnet dabei Unterschiede in der tatsächlichen Kapazität der Energiespeichermodule bzw. der darin verwendeten Energie speicherzellen, die sich in unterschiedlichen Spannungen der Energiespeichermodule bei einer Entladung durch einen be tragsgleichen Strom niederschlägt. Im laufenden Betrieb des Energiespeichers 1 ergibt sich der Spannungsunterschied AUl durch eine Stützung des Energieversorgungsnetzes mit hohen Strömen in kurzer Zeit. Das Ende des Stützvorgangs mit dem Strom II charakterisiert in diesem Fall den Beginn einen ers ten Betriebszustand SOP1, in dem verschiedene Modulspannungen UM1, UM2 einstellbar sind. Die Modulspannungen UM1, UM2 kön nen dabei unterschiedlich toleriert werden. Dabei kann aktiv die letzte Modulspannung UM1, UM2 erfasst werden und bspw. nur der Ausgleich von Leckstromverlusten zugelassen werden. Auch der Spannungsunterschied AUl kann als Sollwert gespei chert werden. Als Sollwerte für eine Balancingelektronik/- schaltung werden die Werte nach der Entladung z.B. zyklisch wieder an die einzelnen Module übertragen. Der erste Be triebszustand SOP1 wird dann weiter beibehalten, wenn die Ströme 12 bzw. 13 fließen, der Energiespeicher also aufgela den wird. Diese Wiederaufladung muss nicht in einer engen zeitlichen Relation zur Entladung stehen, sondern es können hier vielmehr auch sehr viel größere Zeiträume zwischen Ent ladung und wieder Aufladung liegen. Es ist denkbar, dass eine sehr langsame Wiederaufladung stattfindet, der erste Be triebszustand SOP1 also sehr lange gehalten wird. This can be the case, for example, if a new energy storage module M1 is used, which has a low re capacitance tolerance compared with the second energy storage module M2 already used. The capacitance tolerance be characterized by differences in the actual capacity of the energy storage modules or the energy storage cells used therein, which is reflected in different voltages of the energy storage modules in a discharge by an equal amount of electricity. During operation of the energy storage 1 results in the voltage difference AUl by supporting the power supply network with high currents in a short time. The end of the support process with the current II in this case characterizes the beginning of a first operating state SOP1 in which different module voltages UM1, UM2 can be set. The module voltages UM1, UM2 Kings NEN be tolerated differently. In this case, the last module voltage UM1, UM2 can be actively detected and, for example, only the compensation of leakage current losses can be permitted. The voltage difference AU1 can also be stored as a setpoint. As setpoints for a balancing electronics / circuit, the values after the discharge, for example, become cyclical transferred back to the individual modules. The first operating state SOP1 is then maintained when the currents 12 and 13 flow, so the energy storage is charged. This recharge does not have to be in a tight time relation to the discharge, but rather it can be much longer periods between discharge and recharge. It is conceivable that a very slow recharging takes place, the first operating state SOP1 is thus kept very long.
Weiterhin ist zu sehen, dass der Strom 12 lediglich eine leichte Aufladung der Energiespeichermodule Ml, M2 / des Energiespeichers bewirkt, die sich in ansteigenden Modulspan nungen UM1, UM2 äußert. Nach einer kurzen Pause, in der immer noch eine unterschiedliche Modulspannung UM1, UM2 existiert, wobei ein Spannungsunterschied AU2 nicht mehr so groß ist, wird weiterhin keine Angleichung der Modulspannungen UM1, UM2 gefordert. Die Energiespeichermodule Ml, M2 befinden sich weiterhin im ersten Betriebszustand SOP1. Nach einer längeren Phase der Aufladung mit einem dritten Strom 13 erreicht der Energiespeicher bzw. die Energiespeichermodule Ml, M2 wieder eine gleiche Spannung, es existiert nur noch ein sehr gerin ger Spannungsunterschied AU3, der im Rahmen einer Toleranz TOL toleriert werden kann, wenn er kleiner oder gleich dieser Toleranz ist. Die Energiespeichermodule Ml, M2 befinden sich nun in einem zweiten Betriebszustand SOP2. Der Energiespei cher kann also in den zweiten Betriebszustand SOP2 umschal ten. Der zweite Betriebszustand SOP 2 wird dann zumindest bis zur nächsten Netzstützung oder anderweitigen Entladung beibe halten. Zur Initialisierung eines derartigen Energiespeichers 1 ist es denkbar, dass, wenn einmal die Stützbereitschaft hergestellt ist, gleiche Modulspannungen eingestellt und auch beibehalten werden, um dann nach einer Entladung in den ers ten Betriebszustand SOP1 umzuschalten, in dem dann unter schiedliche Modulspannungen UM1, UM2 toleriert werden können. Furthermore, it can be seen that the current 12 causes only a slight charge of the energy storage modules Ml, M2 / of the energy storage, which manifests itself in increasing Modulspan voltages UM1, UM2. After a short break, in which there still exists a different module voltage UM1, UM2, wherein a voltage difference AU2 is no longer so great, no further adjustment of the module voltages UM1, UM2 is required. The energy storage modules Ml, M2 are still in the first operating state SOP1. After a longer period of charging with a third current 13 of the energy storage or energy storage modules Ml, M2 reaches a same voltage again, there is only a very clotting ger voltage difference AU3, which can be tolerated within a tolerance TOL, if it is smaller or equal to this tolerance. The energy storage modules Ml, M2 are now in a second operating state SOP2. The energy storage device can thus switch to the second operating state SOP2. The second operating state SOP 2 will then remain at least until the next network support or other discharge. For initialization of such an energy storage device 1, it is conceivable that once the support readiness is established, the same module voltages are set and maintained, then to switch after a discharge in the ers th operating state SOP1, then tolerated under different module voltages UM1, UM2 can be.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Be treiben eines Energiespeichers 1 für ein Energieversorgungs- netz, umfassend ein erstes Energiespeichermodul Ml aufweisend eine erste Modulspannung UM1 und ein zweites Energiespeicher modul M2 aufweisend eine zweite Modulspannung UM2. Um einen effizienten Ladungsausgleich zwischen den Energiespeichermo- dulen Ml,..., Mn zu ermöglichen wird vorgeschlagen, dass in ei nem ersten Betriebszustand SOP1 die erste Modulspannung UM1 verschieden von der zweiten Modulspannung UM2 einstellbar ist und in einem zweiten Betriebszustand SOP2 unter Berücksichti gung einer Toleranz TOL die erste Modulspannung UM1 gleich der zweiten Modulspannung UM2 eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerung PLC, einen Energiespeicher 1, ein Energiespeichermodul Ml,..., Mn und eine Baugruppe In summary, the invention relates to a method for Be driving an energy storage device 1 for a power supply comprising a first energy storage module Ml comprising a first module voltage UM1 and a second energy storage module M2 having a second module voltage UM2. In order to enable an efficient charge equalization between the energy storage modules Ml,..., Mn, it is proposed that in a first operating state SOP1 the first module voltage UM1 be set differently from the second module voltage UM2 and in a second operating state SOP2 under consideration Tolerance TOL the first module voltage UM1 is set equal to the second module voltage UM2. The invention further relates to a control PLC, an energy storage 1, an energy storage module Ml, ..., Mn and an assembly
RACK1 , ..., RACKn . Jedes der Energiespeichermodule Ml,..., Mn weist dabei wenigstens mehrere in Serie und/oder parallel geschal- tete Energiespeicherzellen CI,..., Cn auf. RACK1, ..., RACK. Each of the energy storage modules Ml, ..., Mn in this case has at least a plurality of energy storage cells CI,..., Cn connected in series and / or in parallel.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers (1) für ein Energieversorgungsnetz , 1. A method for operating an energy store (1) for a power supply network,
umfassend ein erstes Energiespeichermodul (Ml) aufweisend ei ne erste Modulspannung (UM1) und comprising a first energy storage module (M1) having ei ne first module voltage (UM1) and
ein zweites Energiespeichermodul (M2) aufweisend eine zweite Modulspannung (UM2), a second energy storage module (M2) having a second module voltage (UM2),
wobei in einem ersten Betriebszustand (SOP1) die erste Modul spannung (UM1) verschieden von der zweiten Modulspannung (UM2) einstellbar ist und wherein in a first operating state (SOP1) the first module voltage (UM1) different from the second module voltage (UM2) is adjustable and
in einem zweiten Betriebszustand (SOP2) unter Berücksichti gung einer Toleranz (TOL) die erste Modulspannung (UM1) gleich der zweiten Modulspannung (UM2) eingestellt wird. in a second operating state (SOP2), taking into account a tolerance (TOL), the first module voltage (UM1) is set equal to the second module voltage (UM2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Energiespeicher (1) zum Bereitstellen von wenigstens 10 MW über einen Zeitraum von wenigstens 1 Sekunde ausgebildet ist. 2. The method of claim 1, wherein the energy store (1) is designed to provide at least 10 MW over a period of at least 1 second.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen (Ml,..., Mn) zu einer Baugruppe 3. The method of claim 1 or 2, wherein a plurality of energy storage modules (Ml, ..., Mn) to an assembly
(RACK1 , ..., RACKn) zusammengefasst sind, die jeweils eine Bau gruppenspannung (URACK1 , ..., URACKn) aufweisen, wobei die Bau gruppenspannung (URACK1 , ..., URACKn) abhängig vom Betriebszu stand (SOP1, SOP2) des Energiespeichers (1) einstellbar sind.  (RACK1, ..., RACKn) are summarized, each having a construction group voltage (URACK1, ..., URACKn), wherein the construction group voltage (URACK1, ..., URACKn) depending on the Betriebszu stood (SOP1, SOP2) of the energy store (1) are adjustable.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Betriebszustand (SOP1) einem Zeitraum vor und/oder während einer Aufladung des Energiespeichers (1) entspricht. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first operating state (SOP1) corresponds to a period before and / or during charging of the energy store (1).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Betriebszustand (SOP2) einer Stützbereitschaft des Energiespeichers (1) entspricht. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the second operating state (SOP2) corresponds to a readiness for support of the energy store (1).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedem der Energiespeichermodule (Ml, M2) und/oder der Bau gruppen (RACK1 ,..., RACKn) wenigstens ein Balancingmodul (BI,..,Bh) zugewiesen ist, das zum Regeln und/oder Steuern der Modulspannung (UM1, UM2) ausgebildet ist. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein each of the energy storage modules (Ml, M2) and / or the construction groups (RACK1, ..., RACKn) at least one balancing module (BI, .., Bh), which is designed for controlling and / or controlling the module voltage (UM1, UM2).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modulspannungen (UM1, UM2) und/oder die Baugruppenspan nungen (URACK1 , URACKn) abhängig von einer aktuellen Restka- pazität des jeweiligen Energiespeichermoduls (Ml, M2) einge¬ stellt werden. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the module voltages (UM1, UM2) and / or the module voltage voltages (URACK1, URACKn) depending on a current residual capacity of the respective energy storage module (Ml, M2) are ¬ set.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modulspannungen (UM1, UM2) und/oder die Baugruppenspan nungen (URACK1 URACKn) abhängig von einem Gesundheitszu stand der Energiespeicherzellen (Cl,...,Cn) in dem jeweiligen Energiespeichermodul (Ml, M2) eingestellt werden. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the module voltages (UM1, UM2) and / or the module voltages (URACK1 URACKn) depending on a health state of the energy storage cells (Cl, ..., Cn) in the respective energy storage module (Ml, M2).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Energiespeichermodul (Ml, M2) eine Modulspannung (UM1, UM2) von wenigstens 40V, 60V, 80V oder 100V aufweist. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein an energy storage module (Ml, M2) has a module voltage (UM1, UM2) of at least 40V, 60V, 80V or 100V.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Strang (Sl,...,Sn) aus in Serie geschalteten Energiespei¬ chermodulen (Ml, M2) eine Strangspannung (US1 , USn) von we nigstens 1,5 kV, 2 kV, 3 kV, 4 kV oder 5 kV, aufweist. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein a strand (Sl, ..., Sn) from serially connected Energiespei ¬ chermodulen (Ml, M2) a strand voltage (US1, USn) of we least 1.5 kV, 2 kV , 3 kV, 4 kV or 5 kV.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Energiespeichermodule (Ml, M2) eine Mehrzahl von in Serie und/oder parallel geschalteten Energiespeicherzellen (Cl,...,Cn) aufweist, deren Zellspannungen mittels einem weite¬ ren Balancing-Verfahren einstellbar sind. 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein each of the energy storage modules (Ml, M2) comprises a plurality of series-connected and / or parallel energy storage cells (Cl, ..., Cn) whose cell voltages by means of a wide ¬ ren balancing method are adjustable.
12. Steuerung (PLC) für einen Energiespeicher (1), aufweisend zumindest einen Prozessor (CPU) der zum Ausgeben von Steuer signalen zum Einstellen von Modulspannungen (UM1, UM2) abhän gig von einem ersten Betriebszustand (SOP1) und einem zweiten Betriebszustand (SOP2) nach einem Verfahren nach den Ansprü chen 1 bis 11 ausgebildet ist und eine Schnittstelle (INT), die zum Senden und/oder Empfangen der Steuersignale ausgebil det ist. 12. Control (PLC) for an energy store (1), comprising at least one processor (CPU) for outputting control signals for setting module voltages (UM1, UM2) depending on a first operating state (SOP1) and a second operating state (SOP2 ) is formed by a method according to the Ansprü Chen 1 to 11 and an interface (INT), which is ausgebil det for transmitting and / or receiving the control signals.
13. Energiespeicher (1) für ein Energieversorgungsnetz, um fassend zumindest ein erstes Energiespeichermodul (Ml), ein zweites Energiespeichermodul (M2), insbesondere eine Mehrzahl von Baugruppen (RACK1 , RACKn) umfassend eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen (Ml, M2), und eine Steuerung (PLC) nach Anspruch 12. 13. energy store (1) for a power supply network, comprising at least a first energy storage module (Ml), a second energy storage module (M2), in particular a plurality of assemblies (RACK1, RACKn) comprising a plurality of energy storage modules (Ml, M2), and a Control (PLC) according to claim 12.
14. Energiespeichermodul (Ml, M2) aufweisend wenigstens eine Modulschnittstelle (MCOM) , die zum Senden und/oder Empfangen von Steuersignalen zum Einstellen der Modulspannung (UM1,14. Energy storage module (M1, M2) having at least one module interface (MCOM), which is used for transmitting and / or receiving control signals for setting the module voltage (UM1,
UM2) nach einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11 ausge bildet ist. UM2) is formed according to a method according to claims 1 to 11.
15. Baugruppe (RACK1 RACKn) aufweisend eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen (Ml, M2) nach Anspruch 13. 15. An assembly (RACK1 RACKn) comprising a plurality of energy storage modules (Ml, M2) according to claim 13.
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