AT509888B1 - Elektrischer energiespeicher und verfahren zum regeln eines solchen energiespeichers - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT509 888 B1 2011-12-15

Beschreibung

ELEKTRISCHER ENERGIESPEICHER UND VERFAHREN ZUM REGELN EINES SOLCHEN ENERGIESPEICHERS

[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler mit einer Niederspannungsseite und einer Hochspannungsseite, der über die Hochspannungsseite an einen DC-Bus anschließbar ist, wobei die Leistungsaufnahme und/oder die Leistungsabgabe abhängig von der Spannung auf der Hochspannungsseite ist, ein Verfahren zur Regelung eines solchen Energiespeichers und das Einbinden eines solchen Energiespeichers in eine Anlage zur Speicherung elektrischer Energie.

[0002] Ein Hauptproblem von Alternativenergie, wie z.B. Solarenergie oder Windkraft, ist deren grundsätzlich nicht beeinflussbare Verfügbarkeit. Es ist daher erwünscht, bei der Erzeugung von Alternativenergie, in Zeiten überschüssiger Energie, die Energie zwischen zu speichern, um diese in Zeiten hohen Bedarfs und geringer verfügbarer Alternativenergie wieder abgeben zu können. Als Speicher für elektrische Energie bieten sich Energiespeicher, wie z.B. Batterien, an. Besonders geeignet dazu sind an sich bekannte Redox-Durchflussbatterien, wie z.B. Vanadium Redox-Durchflussbatterien. Große Batteriesysteme bestehen in der Regel aus einer Vielzahl von kleinen, zu Zellstacks verbundenen Zellen, die elektrisch zusammengeschaltet werden, um eine gewünschte hohe Leistung zu erhalten. Eine Redox-Durchflussbatterie besteht z.B. aus mehreren Modulen, wobei jedes Modul eine Vielzahl von Zellen bzw. Zellstacks umfassen kann.

[0003] Solche Batterien können bekannter Weise über einen DC/DC-Wandler und einen DC/AC-Wandler, und eventuell über einen Transformator, an ein elektrisches Versorgungsnetz geschaltet werden. Die Batterie dient somit dazu, überschüssige Alternativenergie aufzunehmen und zu speichern und wieder an das Versorgungsnetz abzugeben, wenn die Alternativenergie den Bedarf des Versorgungsnetzes nicht decken kann. Dazu ist es z.B. bekannt, dass die unterschiedlichen Energiequellen (Windkraft, Solarenergie, Batterie, etc.) parallel an das Versorgungsnetz geschaltet werden.

[0004] Durch Parallelisierung großer Zellstacks oder großer Module aus mehreren Zellstacks, z.B. im 100 kW-Bereich, lassen sich einfach Speichersysteme mit einer Leistung im MW-Bereich realisieren. Zur Optimierung der Effizienz werden häufig einzelne solcher Einheiten bedarfs-orientiert zu- und weggeschaltet. Dadurch kann die Selbstentladung in den Zellen minimiert und der Energieaufwand für das Umwälzen des Elektrolyten verringert werden. Wird ein Speichersystem aus wenigen Zellstacks oder Modulen, z.B. im 100 kW-Bereich, aufgebaut, kann diese Anpassung allerdings nur in sehr großen diskreten Stufen erfolgen, so dass nicht das Optimum an Effizienzsteigerung erzielt werden kann. Zudem führt ein Schaden an einer Einheit zu einer deutlich reduzierten Maximalleistung des Speichersystems. Bei Verwendung großer Batterien ergibt sich zusätzlich der Nachteil, dass im allgemeinen sehr viel Aufwand für die stabile Regelung betrieben werden muss, da die Systeme im Master-Slave-Betrieb gesteuert werden. Sobald die Anzahl groß wird, können die einzelnen Module oft nur noch Blockweise angesteuert werden, wodurch oft kein optimaler Betrieb gewährleistet ist.

[0005] Ebenso wie der Aufbau aus großen parallelisierten Einheiten ist auch der Aufbau aus kleinen parallelisierten Einheiten, z.B. im kW-Bereich, realisierbar. Vorteile liegen hier in einer sehr guten Anpassungsfähigkeit an den Leistungsbedarf in der Auslegung und in der Betriebsführung und in einer sehr geringen Beeinflussung der Leistungsbereitstellung bei einem Ausfall einer Einheit. Außerdem ist die Selbstentladung bei kleinen Zellstacks oder Einheiten geringer. Der Nachteil hierbei ist, dass die Regelung eines solchen Systems, z.B. über eine Zentralsteuerung und ein Bussystem, aufwendig und störanfällig ist.

[0006] Aus der US 6 184 593 B1 ist es bekannt, mehrere Energiequellen, wie z.B. Generatoren, Turbinen, Batterien, Solarzellen, Brennstoffzellen, etc., über jeweils einen DC/DC-Wandler, Gleichrichter oder Wechselrichter parallel an einen DC-Bus zu schalten. Über einen DC/AC- 1 /14 österreichisches Patentamt AT509 888 B1 2011-12-15

Wandler am DC-Bus kann dann eine Last versorgt werden. Auch hier ergibt sich wieder das Problem der großen Granularität des Leistungsbereichs bzw. der Notwendigkeit einer aufwendigen Regelung.

[0007] Aus der JP 2003/087 993 A ist es bekannt, einen Energiespeicher über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler an einen DC-Bus anzuschließen, wobei die Leistungsaufnahme oder die Leistungsabgabe abhängig von der Spannung der Sekundärseite des DC/DC-Wandlers ist.

[0008] Die gegenständliche Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher aus mehreren Zellstacks und ein Verfahren zum Regeln eines solchen Energiespeichers bzw. das Einbinden eines solchen Energiespeichers in eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie mit mehreren unterschiedlichen Energiequellen. Die zugrunde liegende Aufgabe liegt insbesondere darin, dabei die Regelung des elektrischen Energiespeichers aus einer Vielzahl von Zellstacks einfach zu halten.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem der bidirektionale DC/DC-Wandler eine Schalthysterese mit einer Lade- und/oder Entladekurve aufweist, wobei die Leistungsaufnahme und/oder die Leistungsabgabe abhängig von der Spannung auf der Hochspannungsseite ist. Dadurch, dass die Leistungsaufnahme oder -abgabe über die Schalthysterese von der Spannung auf der Hochspannungsseite abhängig ist, regelt sich der Energiespeicher ohne weiteren Eingriff von außen von selbst.

[0010] Wird ein Energiespeicher mit einer Vielzahl von Zellstacks, bevorzugt im kW-Bereich, verwendet, wobei jeder Zellstack mit einem solchen DC/DC-Wandler ausgestattet ist, kann auf sehr einfache Weise auch ein fein regelbarer Leistungsbereich erzielt werden. Ganz besonders vorteilhaft werden dabei ein erster und ein zweiter Zellstack mit einem ersten und einem zweiten bidirektionalen DC/DC-Wandler verbunden, wobei der erste und zweite DC/DC-Wandler unterschiedliche Lade- und/oder Entladevorgänge definierende Schalthysteresen aufweisen. Dadurch regeln sich die einzelnen Zellstacks über die Parametrisierung der DC/DC-Wandler (deren Schalthysteresen) selbst, wodurch eine sehr einfache und gleichzeitig feine Regelung erzielbar ist.

[0011] Besonders vorteilhaft wird der Energiespeicher als Redox-Durchflussbatterie ausgeführt, wobei alle Zellstacks oder jeweils eine Gruppe von Zellstacks vom selben Elektrolytflüssigkeitskreislauf versorgt werden. Damit ist sichergestellt, dass alle Zellstacks, durch die derselbe Elektrolyt gepumpt wird, den gleichen Ladezustand aufweisen, womit sich die Regelung weiter vereinfacht, da auf unterschiedlich geladene Zellstacks nicht Rücksicht genommen werden muss. Gleichzeitig sind aber auch Systeme mit unterschiedlichen Energiespeichern und Ladezuständen oder mehreren Elektrolytflüssigkeitskreisläufen möglich, da die DC/DC-Wandler die einzelnen Energiespeicher entkoppeln.

[0012] Sehr einfach können unterschiedliche Schalthysteresen dadurch erzielt werden, indem die Schalthysteresen mit unterschiedlichen Schaltpunkten parametrisiert werden.

[0013] Bevorzugt wird ein DC/DC-Wandler vorgesehen, der eine Schalthysterese aus jeweils einer Geraden für den Lade- und Entladevorgang aufweist, da auf diese Weise ein sehr einfacher Zusammenhang zwischen der Spannung des DC-Busses und der Leistungsabgabe bzw. -aufnahme des Zellstacks hergestellt werden kann.

[0014] Es sind auch weitere sehr einfache Parametereinstellungen der Schalthysteresen SH möglich, z.B. indem die Geraden unterschiedlicher Schalthysteresen und/oder die Geraden eines Lade- und Entladevorganges einer Schalthysterese unterschiedliche Steigungen aufweisen oder indem eine Schalthysterese eine unterschiedlichen Lade- und Entladekurve aufweist. Damit kann die Leistungsaufnahme bzw. -abgabe der einzelnen Zellstacks auf einfache Weise, z.B. über die Leistungsgradienten, eingestellt werden. Zusätzlich könnte auch eine Schalthysterese mit einem dynamisch veränderbaren Schaltpunkt und/oder mit einer dynamisch veränderbaren Lade- und Entladekurve vorgesehen sein. All das ermöglicht es, den Energiespeicher sehr einfach auf die jeweilige Anwendung anzupassen.

[0015] Der erfindungsgemäße Energiespeicher wird besonders bevorzugt in einer Anlage zur 2/14 österreichisches Patentamt AT509 888B1 2011-12-15

Speicherung elektrischer Energie verwendet, in der der elektrische Energiespeicher über einen DC/DC-Wandler mit einem DC-Bus verbunden ist, wobei die Leistungsaufnahme und/oder die Leistungsabgabe des DC/DC-Wandlers abhängig von der Spannung des DC-Busses ist. Damit kann eine solche Anlage sehr einfach geregelt werden.

[0016] Besonders vorteilhaft ist in einer solchen Anlage eine zentrale Steuereinheit vorgesehen, die über einen Datenbus mit dem elektrischen Energiespeicher und dem Energieerzeuger und gegebenenfalls mit dem DC/AC-Wandler verbunden ist. Damit lassen sich allfällige Parameteränderungen oder Grundeinstellungen der Schalthysteresen sehr einfach von einer zentralen Stelle aus ändern bzw. vornehmen.

[0017] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 näher erläutert, die schematisch vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt [0018] Fig. 1 ein Schaltschema einer Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, [0019] Figs. 2 bis 6 unterschiedliche Schalthysteresen des DC/DC-Wandlers und [0020] Fig. 7 die dynamische Anpassung der Schaltpunkte einer Schalthysterese.

[0021] Fig. 1 zeigt eine Anlage zur Erzeugung von Alternativenergie mit Energieerzeugungseinheiten E1, z.B. eine Windkraftanlage, E2, z.B. eine Photovoltaikanlage und Ex, z.B. ein Generator, die jeweils über einen DC/DC-Wandler in einen DC-Bus 6 einspeisen. Zum Speichern überflüssiger Energie oder zum Ausgleichen von fehlender Energie ist ein Energiespeicher, hier z.B. eine Redox-Durchflussbatterie 1, vorgesehen, die ebenfalls an den DC-Bus 6 angeschlossen ist. Über einen DC/AC-Wandler 5 wird in ein elektrisches Versorgungsnetz 4 eingespeist, an dem eine nicht dargestellte Last hängt. Es kann auch vorgesehen sein, wie in Fig. 1 angedeutet, dass über den DC/AC-Wandler 5 aus dem Versorgungsnetz 4 rückgespeist wird, z.B. um den Energiespeicher, hier die Redox-Durchflussbatterie 1, aufzuladen. Der DC/AC-Wandler 5 arbeitet dabei als Führungsgröße im Versorgungsnetz 4 oder er kann parallel zu einem bestehenden Versorgungsnetz betrieben werden. Am Versorgungsnetz 4 können noch weitere Einheiten angeschlossen sein, wie z.B. über einen DC/AC-Wandler ein PV-Wechselrichter, oder direkt ohne Wandler ein Notstromaggregat.

[0022] Eine Redox-Durchflussbatterie 1 besteht, wie hinlänglich bekannt, aus einer Anzahl von Zellstacks ZS1 ... ZSn, die jeweils eine Anzahl von einzelnen Zellen umfassen. In Tanks 2, 3 sind die Elektrolytflüssigkeiten gespeichert, die durch die Zellstacks ZS1 ... ZSn umgewälzt werden. In den Zellen findet dann die Redox-Reaktion statt, wodurch elektrische Energie erzeugt wird oder die Redox-Durchflussbatterie 1 geladen wird. Die Funktion, die Eigenschaften und der Aufbau einer Redox-Durchflussbatterie 1 ist hinlänglich bekannt, weshalb hier nicht weiters darauf eingegangen wird, vor allem auch deshalb, da die Art des Energiespeichers für die gegenständliche Erfindung nicht von besonderer Bedeutung ist.

[0023] Für eine Redox-Durchflussbatterie 1 ergibt sich dabei die Besonderheit, dass alle Zellstacks ZS der Batterie am selben Flüssigkeitskreislauf hängen, wodurch alle Zellen bzw. Zellstacks ZS den gleichen Ladezustand (SOC) aufweisen, die einzelnen Zellstacks ZS allerdings elektrisch unabhängig voneinander betrieben werden können. Es könnte aber auch vorgesehen sein, dass jeweils eine Gruppe von Zellstacks ZS an einem Elektrolytkreislauf hängen, während eine weitere Gruppe an einem anderen Elektrolytkreislauf hängt, oder aber eine andere Speichertechnologie parallel dazu betrieben wird.

[0024] Erfindungsgemäß ist an den einzelnen Zellstacks ZS1 ... ZSn des elektrischen Energiespeichers jeweils ein bidirektionaler DC/DC-Wandler DC1 ... DCn angeschlossen, der die in den Zellstacks ZS1 ... ZSn erzeugte Spannung auf die Spannung des DC-Busses 6 anhebt. Dazu ist die Hochspannungsseite der DC/DC-Wandler DC1 ... DC2 jeweils mit dem DC-Bus 6 verbunden. Z.B. könnte ein Zellstack ZS einer Redox-Durchflussbatterie 1 aus 27 einzelnen Zellen bestehen, 25 bis 40VDC erzeugen und 2,5kW Leistung bieten. Die Ausgangsspannung des Zellstacks ZS wird durch den angeschlossenen DC/DC-Wandler auf die Spannung des DC-Busses 6 angehoben, z.B. 700VDC. 3/14 österreichisches Patentamt AT509 888B1 2011-12-15 [0025] Der jeweilige DC/DC-Wandler entkoppelt den angeschlossenen Zellstack ZS vom DC-Bus 6. Dadurch kann die Steuerung der Ausgangsleistung des Zellstacks ZS unabhängig von der Ausgangsleistung der Gesamtanordnung erfolgen. Diese Anordnung ermöglicht somit auch die Kopplung unterschiedlicher Batterietechnologien und berücksichtigt unterschiedliche Leistungsfähigkeiten der jeweils angeschlossenen Energiespeicher.

[0026] Es könnte aber auch vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Zellstacks ZS gemeinsam an einen DC/DC-Wandler angeschlossen werden. Ebenso kann anstelle einer Redox-Durchflussbatterie 1 auch eine andere Batterie mit einer Vielzahl von zu Zellstacks verbundenen Zellen verwendet werden, z.B. eine Blei-Batterie oder Lithium-Ionen-Batterie. Weiters können auch andere Energiespeicher, wie z.B. Brennstoffzellen oder auch Schwung radspeicher, in das System integriert werden, soweit sie über einen entsprechenden DC/DC-Wandler mit einer kompatiblen Ausgangscharakteristik verfügen. Grundsätzlich kann somit jeder Energiespeicher über die Hochspannungsseite eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers an den DC-Bus 6 angeschlossen werden, wobei der DC/DC-Wandler eine Lade- und/oder Entladekurve mit einer Schalthysterese SH aufweist, die abhängig von der Spannung auf der Hochspannungsseite, hier von der Spannung UDCb des DC-Busses 6, ist. Damit können auch mehrere und unterschiedliche Energiespeicher parallel an den DC-Bus 6 angeschlossen werden.

[0027] Der Spannungsbereich des DC-Busses 6 bewegt sich zwischen einer oberen Spannungsgrenze Udcbo und einer unteren Spannungsgrenze Udcbu, z.B. zwischen 750 VDC und 650VDC, und die DC/DC-Wandler DC1 ... DCn der Zellstacks ZS1 ... ZSn haben Schalthysteresen SH (Kennlinien) mit unterschiedlichen Schaltpunkten USpu, USpo- wie nachfolgend anhand der Figuren 2a bis 2c beschrieben wird. Durch die Schaltpunkte USpu und USpo wird festgelegt, ab welcher Spannung UDCb des DC-Busses 6 das Laden oder Entladen des Energiespeichers beginnt. Die Steilheit der Geraden der Schalthysteresen SH definieren dabei mit welcher Leistung geladen oder entladen wird. Die DC/DC-Wandler DC1 ... DCn leiten den jeweiligen Leistungssollwert daher von der Spannung UDCb des DC-Busses 6 ab. Die Funktion P = f(UDCB) kann dabei in jedem einzelnen DC/DC-Wandler DC1 ... DCn parametriert werden. Die Höhe der Spannungsgrenzen UDCbo, UDCbu, die Lade- und Entladekurven und die maximale Lade bzw. Entladeleistung Pmax können bei der Systemdimensionierung festgelegt werden.

[0028] Es ist aber selbstverständlich auch möglich, dass zwei oder mehr DC/DC-Wandler Schalthysteresen SH mit gleichen Schaltpunkten, aber unterschiedlichen Lade- und/oder Entladekurven haben. Für eine nicht aufladbare Batterie würde es natürlich auch ausreichen, die Schalthysterese SH nur auf den Entladevorgang zu beschränken. Ebenso könnte vorgesehen sein, eine Batterie nur zu laden, womit der Ladeteil der Schalthysterese SH ausreichen würde, es sollte jedoch die Stabilität des Wandlers über den gesamten Spannungsbereich gewährleistet sein.

[0029] In Fig. 2 ist jeweils die Leistung eines Zellstacks ZS über die Spannung UDcb des DC-Busses 6 dargestellt. Positive Leistung bedeutet dabei, dass der Zellstack ZS geladen wird und negative Leistung, dass der Zellstack ZS entladen wird. Pmax ist die maximale Entlade- bzw. Ladeleistung des Zellstacks ZS, die auch unterschiedlich sein kann.

[0030] Die Schaltpunkte Uspui, USpoi des bidirektionalen DC/DC-Wandlers DC1 des ersten Zellstacks ZS1 sind so eingestellt, dass beide in der Nennspannung UDCbn des DC-Busses 6, z.B. 700VDC, zusammenfallen (Fig. 2a). Bei Spannungen UDCb des DC-Busses 6 größer der Nennspannung Udcbn wird der Zellstack ZS1 gemäß der Ladekurve geladen und bei kleineren Spannungen gemäß der Entladekurve entladen. Der DC/DC-Wandler DC2 des zweiten Zellstacks ZS2 hat einen oberen Schaltpunkt USpo2 größer der Nennspannung UDCbn des DC-Busses 6, z.B. 710VDC, und einen unteren Schaltpunkt USpu2 kleiner der Nennspannung UDCbn des DC-Busses 6, z.B. 690VDC (Fig. 2b). Analog hat der DC/DC-Wandler DCn des n-ten Zellstacks ZSn einen oberen Schaltpunkt USpon größer der Nennspannung Udcbn des DC-Busses 6, z.B. 730VDC, und einen unteren Schaltpunkt USpun kleiner der Nennspannung UDCbn des DC-Busses 6, z.B. 670VDC (Fig. 2c). Somit beginnt das Laden bzw. Entladen dieser Zellstacks ZS2, ZSn erst bei Erreichen des jeweiligen Schaltpunktes. Auf diese Art und Weise 4/14 österreichisches Patentamt AT509 888B1 2011-12-15 können eine beliebige Anzahl von Zellstacks ZS an den DC-Bus 6 geschaltet werden.

[0031] Die Schaltpunkte USpo, USpu und die Schalthysteresen SH müssen nicht symmetrisch um einen Arbeitspunkt mit der Leistung Null (im obigen Beispiel wäre das die Nominalspannung Udcbn von z.B. 700V) angeordnet sein, sondern können der Leistungsfähigkeit des jeweiligen Energiespeichersystems angepasst werden. Es können auf diese Weise auch Energiespeicher mit unterschiedlichen Leistungsdaten für das Laden und Entladen berücksichtigt werden.

[0032] Bei einer Erhöhung der Last, z.B. weil verbraucherseitig Lasten an das Versorgungsnetz 4 dazugeschaltet werden, sinkt die Spannung UDcb des DC-Busses 6 ab. Die einzelnen Zellstacks ZS werden nun bei Erreichen des jeweiligen unteren Schaltpunktes USpu dazugeschaltet. Steigt die Spannung UDCb des DC-Busses 6, z.B. weil Lasten weggeschaltet werden, werden die Zellstacks ZS bei Erreichen des jeweiligen oberen Schaltpunktes Uspo geladen. Damit kann eine sehr einfache Regelung realisiert werden, wobei sich die Zellstacks ZS über die Schalthysteresen SH ihrer zugeordneten DC/DC-Wandler DC1 ... DCn selbsttätig zu- oder wegschalten bzw. laden oder entladen und sich die Leistungsabgabe bzw. -aufnahme entsprechend der eingestellten Schalthysterese SH selbstregelnd verändert. Da jeder Zellstack ZS, also eine kleine elektrische Einheit mit einer Leistung im kW-Bereich, gesteuert wird, wird dabei gleichzeitig eine sehr feine Regelung erreicht.

[0033] In Fig. 3 ist der sich ergebende Verlauf der Gesamtleistung PB der Redox-Durchfluss-batterie 1 in Abhängigkeit von der Spannung UDCb des DC-Busses 6 bzw. in Abhängigkeit der Schalthysteresen dargestellt, der sich aus der Überlagerung der einzelnen Schalthysteresen SH ergibt.

[0034] Die Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie wie in Fig. 1 dargestellt, könnte daher wie folgt arbeiten. Das Energieangebot der zweiten Energieerzeugungseinheit E2, z.B. einer Photovoltaikanlage, reicht nicht aus, um die an das Versorgungsnetz 4 angeschlossenen Verbraucher zu versorgen, wodurch sich die Spannung im DC-Bus 6 verringert. Neben der Solarenergie wird daher zusätzlich Energie aus einem Speicher benötigt, hier z.B. der Redox-Durchflussbatterie 1. Zunächst kann die Lücke mit dem ersten Zellstack ZS1 abgedeckt werden. Bei weiter zunehmenden Last oder abnehmender Einspeiseleistung der Energieerzeugungseinheit E2 sinkt die Spannung des DC-Busses 6 weiter ab, bis der untere Schaltpunkt USpu2 des zweiten Zellstacks ZS2 erreicht ist und die Schalthysterese SH2 aktiv wird und daher dem zweiten Zellstack ZS2 Leistung entnommen wird. Ist die Verbraucherleistung weiterhin größer als die Summe der eingespeisten Solarleistung und der Leistung der sich entladenden Zellstacks ZS1, ZS2 zusammen, sinkt das Spannungsniveau des DC-Busses 6 weiter ab, bis der untere Schaltpunkt USpun des nächsten Zellstacks ZSn erreicht ist und die Schalthysterese SHn aktiv wird und daher diesem Zellstack ZSn Leistung entnommen wird. Falls die Verbraucherleistung weiterhin größer ist, als die Einspeiseleistung der Energiequelle E2 plus der Leistung der sich entladenden Zellstacks ZS1 ... ZSn, sinkt die Spannung UDCb des DC-Busses 6 weiter ab, bis der untere Grenzwert UDCbu des Spannungsbereiches des DC-Busses 6 erreicht wird. An diesem Punkt ist die volle Batterieleistung ausgeschöpft und eine weitere Energiequelle Ex sollte aktiviert werden, wie z.B. ein Zusatzgenerator, der zusätzliche Leistung einspeist, um die Stabilität des Systems zu gewährleiten. Nach dem gleichen Prinzip werden die Zellstacks ZS1 ... ZSn in umgekehrter Reihenfolge geladen, wenn die Spannung Udcb des DC-Busses 6 größer als die Nennspannung UDCbn des DC-Busses 6 wird.

[0035] Bei einer Redox-Durchflussbatterie 1, deren Zellstacks ZS ganz besonders vorteilhaft alle am selben Elektrolytkreislauf hängen, wird natürlich nicht ein einzelner Zellstack ZS geladen, sondern die ganze Redox-Durchflussbatterie 1, womit das Laden eines Zellstacks ZS Einfluss auf alle Zellstacks ZS der Redox-Durchflussbatterie 1 hat.

[0036] Wie der obigen Erläuterung zu entnehmen ist, wird bei diesem Regelungsverfahren der DC-Bus 6 als schnelles Kommunikationsmedium verwendet, das die Ausgangsleistung der einzelnen Speichermodule bzw. Zellstacks ZS und Erzeugungseinheiten E direkt steuert. Dadurch kann auf eine Kommunikation für Regelungsaufgaben mittels Feldbus oder ähnliches verzichtet werden. 5/14 österreichisches Patentamt AT509 888B1 2011-12-15 [0037] Jedoch sind auch andere Parametereinstellungen der Schalthysteresen SH möglich, die z.B. gezielt die Energieflüsse beeinflussen oder bei denen die Spannung UDCb des DC-Busses 6 zusätzlich vom Ladezustand SOC des gesamten Speichersystems abhängt. Alle solche Verfahren sind denkbar und je nach Anwendung sinnvoll bzw. vorteilhaft. Im Folgenden werden Beispiele für solche Anwendungen beschrieben.

[0038] Die Schalthysteresen SH in Fig. 2 sind Geraden mit jeweils gleichen Steigungen. Durch Vorsehen von unterschiedlichen Steigungen oder von Kurven anstatt von Geraden, kann die Abstimmung der Zellstacks ZS1 ... ZSn weiter optimiert werden. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, bewirkt eine Überlagerung mehrerer Schalthysteresen SH1 ... SHn mit gleicher Steigung ein stärkeres Ansteigen der Gesamtleistung PB. Durch die Veränderung der Steigung oder der Kurven einzelner Zellstacks ZS1 ... ZSn kann also das Gesamtverhalten beeinflusst werden. In Fig. 4 wurden die Steigungen der Schalthysteresen SH2, SHn des zweiten und n-ten Zellstacks ZS2, ZSn erhöht. In Folge dessen wird die Lade- oder Entladeleistung dieser Zellstacks ZS2, ZSn wesentlich schneller erhöht. Dies könnte abhängig vom Lastverhalten z.B. sinnvoll sein, um den ersten Zellstack ZS1 schneller zu entlasten oder um einen Puffer für Leistungssprünge bereitzustellen. Es ist natürlich auch denkbar, für den Lade- und Entladevorgang einer Schalthysterese Geraden mit unterschiedlichen Steigungen oder unterschiedliche Kurven vorzusehen.

[0039] Auch ist es möglich, für den Lade- und Entladebetrieb zwei unterschiedliche Schalthysteresen zu verwenden, wie anhand der Fig. 5 erläutert wird. Dabei wird zwischen einem Entlade- und Ladeverlauf unterschieden, wofür es eigene Lade- und Entladekurven gibt.

[0040] Während dem Laden wird der Ladekurve SH1L (oberer Teil der Schalthysterese SH1) gefolgt und während dem Entladen, der Entladekurve SH1E (unterer Teil der Schalthysterese SH1). Die Entladung bzw. Ladung innerhalb dieser Lade- und Entladekurven SH1L, SH1E erfolgt nach einer Geraden parallel zur x-Achse. Ändert sich beispielsweise kurzfristig der Gesamtleistungsfluss von Entladen nach Laden, so folgt der Regler der Entladegeraden parallel zur x-Achse, wie durch die strichlierte Linie in Fig. 5 angedeutet. In einem solchen Fall würde der entstehende Energieüberschuss von den andern Zellstacks ZS2, ZSn aufgenommen werden. Ändert sich kurzfristig der Gesamtleistungsfluss von Laden nach Entladen, so folgt der Regler weiterhin der Ladegeraden parallel zur x-Achse, wie durch die strichlierte Linie in Fig. 5 angedeutet, und das Energiedefizit würde von den anderen Zellstacks ZS2, ZSn zur Verfügung gestellt werden. Der Vorteil dieser Variante ist, dass ein Ladungstransport zwischen den Zellstacks ZS1 ... ZSn stattfinden kann. Diese Variante ist z.B. speziell für den Einsatz von Blei-Batterien von Vorteil, da längere Lade- und Entladezyklen die Lebensdauer einer solchen Batterie erhöhen können.

[0041] Anstelle einer konstanten Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe, also eine Gerade parallel zur x-Achse, wie im Beispiel nach Fig. 5, könnte dazwischen auch eine Gerade mit einer bestimmten Steigung vorgesehen sein, wie in Fig. 6 dargestellt.

[0042] Die obigen Beispiele nach den Figuren 2 bis 6 könnten auch mit einer dynamischen Anpassung der Schaltpunkte USpu, USpo kombiniert werden, z.B. in Abhängigkeit eines oder mehrerer Parameter des Energiespeichers, z.B. vom Ladezustand SOC des angeschlossenen Energiespeichers. Das soll anhand der Fig. 7 erläutert werden. Je nach Ladezustand SOC werden dabei dynamisch die Schaltpunkte USpu> USpo der Schalthysteresen SH verändert. Ist der Ladezustand nieder, Fig. 7a), werden die Schaltpunkte USpu, USpo nach unten verschoben, um ein früheres Umschalten auf Laden zu erreichen. Ist der Ladezustand SOC hoch, Fig. 7c), so kann schon ab einer höheren Spannung des DC-Busses 6 entladen werden. Die Verschiebung kann auch nur jeweils eine Gerade betreffen.

[0043] Die Anpassung der Schaltpunkte USpu, USpo der Schalthysteresen SH kann auch dazu verwendet werden, um den Energiespeicher an sich geänderte Gegebenheiten, z.B. zum Abdecken von zu erwartenden Leistungsprüngen, anzupassen, um stillgelegte Einheiten zu entladen (Ladungsausgleich zwischen Zellstacks) oder um den Energiespeicher oder einzelne Zellstacks ZS gezielt zu laden. 6/14

Claims (22)

1. österreichisches Patentamt AT509 888B1 2011-12-15 [0044] Steht Energie für das Laden des Energiespeichers oder einzelner Zellstacks ZS im Versorgungsnetz 4 zur Verfügung, kann der Ladevorgang auch durch eine Anhebung der DC-Busspannung UDcb erzwungen werden, z.B. durch eine Parameteränderung am DC/AC-Wandler 5. [0045] Ebenso könnten die Steigungen der Lade- und Entladekurven oder die Lade- und Entladekurven selbst dynamisch in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parameter der Batterie, z.B. dem Ladezustand SOC, oder dem Gesundheitszustand SOH, oder in Abhängigkeit von Gesamtsystem angepasst werden. [0046] Diese dynamischen Anpassungen könnte z.B. eine zentrale Steuereinheit 7 vornehmen, die über einen Bus 8, z.B. ein CAN-Bus mit den verschiedenen Komponenten, z.B. den Zellstacks ZS1 ... ZSn, den DC/DC-Wandlern DC und/oder dem DC/AC-Wandler 5, verbunden ist, wie in Fig. 1 dargestellt. In der Regel wird es nicht erforderlich sein, die Zellstacks ZS1 ... ZSn an den Datenbus anzuschließen, sondern es wird ausreichen, nur deren DC/DC-Wandler DC1 ... DCn anzuschließen. Die dynamische Anpassung könnte auch mittels eines selbstlernenden Algorithmus erfolgen, sodass der DC/DC-Wandler seine Leistungskennlinie abhängig von dem Zustand des an ihn angeschlossenen Energiespeichers verändert. Bei der dynamischen Anpassung sollte jedoch sichergestellt werden, dass dadurch die Gesamtperformance des AC-Systems nicht verschlechtert wird. [0047] Die zentrale Steuereinheit 7 kann auch zur Visualisierung der Zustände der einzelnen Komponenten dienen und erhält dafür entsprechende Statusinformation, wie z.B. Spannungen, Ströme, Leistungen, SOC, SOH, etc. Der Bus 8 dient aber nicht der Kommunikation der einzelnen DC/DC-Wandler untereinander, die nur indirekt über das Spannungsniveau des DC-Busses 6 miteinander kommunizieren. Die zentrale Steuereinheit 7 kann auch allgemeine Steueraufgaben übernehmen, z.B. Start, Stop oder Standby des Energiespeichers, NOT Halt, Freigabe für Laden oder Entladen in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Energiespeichers, z.B. kein Laden ohne Pumpendruck. Ebenso können in der zentralen Steuereinheit charakteristische Betriebsdaten zeitlich erfasst und aufgezeichnet werden, die später ausgewertet werden können. Solche Daten können auch dazu verwendet werden, um den Betrieb der Anlage zu optimieren, z.B. zur dynamischen Einstellung der Schaltpunkte oder Steigungen der Schalthysteresen SH. [0048] Die DC/DC-Wandler der anderen Alternativenergiequellen E, z.B. eine Windkraftanlage, eine Photovoltaikanlage, ein Generator, etc., in der Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie wie in Fig. 1 dargestellt, könnten natürlich wie oben anhand der Figuren 2 bis 7 beschrieben geregelt werden. Allerdings können mit den Erzeugungseinheiten E nur Kennlinien im 4. Quadranten (bei Anwendung des Verbraucherzählpfeilsystems) verändert werden. Damit wäre der DC-Bus 6 vollkommen selbstregulierend. Patentansprüche 1. Elektrischer Energiespeicher mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler (DC) mit einer Niederspannungsseite und einer Hochspannungsseite, der über die Hochspannungsseite an einen DC-Bus (6) anschließbar ist, wobei die Leistungsaufnahme und/oder die Leistungsabgabe abhängig von der Spannung auf der Hochspannungsseite ist, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler eine Schalthysterese (SH) mit einer Lade-und/oder Entladekurve aufweist.
2. 2. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (1) eine Vielzahl von Zellstacks (ZS1, ZS2, ZSn) aus einer Anzahl von einzelnen Zellen aufweist, wobei ein erster und ein zweiter Zellstack (ZS1, ZS2) mit einem ersten und einem zweiten bidirektionalen DC/DC-Wandler (DC1, DC2) verbunden sind und der erste und zweite DC/DC-Wandler (DC1, DC2) jeweils über deren Hochspannungsseiten an einen DC-Bus (6) anschließbar sind und jeweils eine Schalthysterese (SH1, SH2) mit einer Lade- und/oder Entladekurve aufweisen, wobei die Leistungsaufnahmen und/oder die Leis- 7/14 österreichisches Patentamt AT509 888 B1 2011-12-15 tungsabgaben abhängig von der Spannung auf der Hochspannungsseite der DC/DC-Wandler(DC1, DC2) ist.
3. 3. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite DC/DC-Wandler (DC1, DC2) Schalthysteresen (SH1, SH2) mit unterschiedlichen Lade- und/oder Entladekurven aufweisen.
4. 4. Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher als Redox-Durchflussbatterie (1) ausgeführt ist, wobei alle Zellstacks (ZS1, ZS2, ZSn) oder jeweils eine Gruppe von Zellstacks (ZS) vom selben Elektrolytflüssigkeitskreislauf versorgt sind.
5. 5. Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und zweiter DC/DC-Wandler (DC1, DC2) vorgesehen sind, deren Schalthysteresen (SH1, SH2) unterschiedliche Schaltpunkte (USpo, USpu) aufweisen.
6. 6. Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein DC/DC-Wandler (DC1, DC2) vorgesehen ist, der eine Schalthysterese (SH1, SH2) aus jeweils einer Geraden als Lade- und Entladekurve aufweist.
7. 7. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geraden unterschiedlicher Schalthysteresen (SH1, SH2) und/oder die Geraden der Lade und Entladekurven einer Schalthysterese (SH1, SH2) unterschiedliche Steigungen aufweisen.
8. 8. Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein DC/DC-Wandler (DC1, DC2) vorgesehen ist, der eine Schalthysterese (SH1, SH2) mit einer unterschiedlichen Lade- und Entladekurve aufweist.
9. 9. Elektrischer Energiespeicher nach einem der 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein DC/DC-Wandler (DC1, DC2) mit einer Schalthysterese (SH1, SH2) mit einem dynamisch veränderbaren Schaltpunkt (USpo, USpu) und/oder mit einer dynamisch veränderbaren Lade- und Entladekurve vorgesehen ist.
10. 10. Verfahren zum Regeln eines elektrischen Energiespeichers mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler (DC) mit einer Niederspannungsseite und einer Hochspannungsseite, wobei die Leistungsaufnahme und/oder die Leistungsabgabe des DC/DC-Wandlers (DC) in Abhängigkeit von der Spannung der Hochspannungsseite des DC/DC-Wandlers (DC) geregelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme und/oder die Leistungsabgabe des DC/DC-Wandlers (DC) durch eine Schalthysterese (SH) mit einer Lade-und/oder Entladekurve geregelt wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher eine Vielzahl von Zellstacks (ZS1, ZS2, ZSn) aus einer Anzahl von einzelnen Zellen aufweist, wobei ein erster Zellstack (ZS1) mit einem ersten bidirektionalen DC/DC-Wandler (DC1) verbunden wird und ein zweiter Zellstack (ZS2) mit einem zweiten bidirektionalen DC/DC-Wandler (DC2) verbunden wird und die Leistungsaufnahme und/oder die Leistungsabgabe der DC/DC-Wandler (DC1, DC2) in Abhängigkeit von der Spannung deren Hochspannungsseiten durch jeweils eine Schalthysterese (SH1, SH2) mit einer Lade- und/oder Entladekurve geregelt werden.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalthysteresen (SH1, SH2) des ersten und des zweiten DC/DC-Wandlers (DC1, DC2) unterschiedlich eingestellt werden.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeicher eine Redox-Durchflussbatterie (1) verwendet wird und alle Zellstacks (ZS1, ZS2, ZSn) vom selben Elektrolytflüssigkeitskreislauf versorgt werden.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltpunkte (Uspo, Uspu) der Schalthysteresen (SH1, SH2) des ersten und des zweiten DC/DC-Wandlers (DC1, DC2) unterschiedlich eingestellt werden. 8/14 österreichisches Patentamt AT509 888 B1 2011-12-15
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandler (DC1, DC2) den jeweiligen Leistungssollwert gemäß deren Schalthysteresen (SH1, SH2) von der Spannung (UDCb) eines mit den DC/DC-Wandlern (DC1, DC2) verbundenen DC-Busses (6) ableiten.
16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltpunkt (USpo, USpu) und/oder eine Entlade- oder Ladekurve einer Schalthysterese (SH1, SH2) im Betrieb des Energiespeichers dynamisch verändert wird.
17. 17. Anlage zur Speicherung elektrischer Energie mit einem elektrischen Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher über den bidirektionalen DC/DC-Wandler (DC) mit einem DC-Bus (6) verbunden ist, wobei die Leistungsaufnahme und/oder die Leistungsabgabe des DC/DC-Wandlers (DC) abhängig von der Spannung des DC-Busses (6) ist.
18. 18. Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher eine Vielzahl von Zellstacks (ZS1, ZS2, ZSn) aufweist, die jeweils über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler (DC1, DC2, DCn) mit dem DC-Bus (6) verbunden sind und über die Schalthysteresen (SH1, SH2, SHn) der DC/DC-Wandler (DC1, DC2, DCn) festgelegt ist, ab welcher Spannung (UDCb) des DC-Busses (6) ein Zellstack (ZS1, ZS2, ZSn) Leistung an den DC-Bus (6) abgibt oder Leistung aus dem DC-Bus (6) entnimmt.
19. 19. Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandler (DC1, DC2, DCn) den jeweiligen Leistungssollwert gemäß deren Schalthysteresen (SH1, SH2, SHn) von der Spannung (UDCb) des DC-Busses (6) ableiten.
20. 20. Anlage nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein DC/AC-Wandler (5), vorzugsweise ein bidirektionaler DC/AC-Wandler, vorgesehen ist, der einerseits mit dem DC-Bus (6) und andererseits mit einem Wechselstromnetz (4) verbunden ist.
21. 21. Anlage nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinheit (7) vorgesehen ist, die über einen Datenbus (8) mit dem elektrischen Energiespeicher und einem Energieerzeuger (E1, E2, Ex) und gegebenenfalls mit einem DC/AC-Wandler (5) verbunden ist.
22. 22. Anlage nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Energiespeicher vorgesehen ist, der über einen DC/DC-Wandler mit dem DC-Bus verbunden ist und der DC/DC-Wandler dieses Energiespeichers seinen jeweiligen Leistungssollwert gemäß seiner Schalthysterese von der Spannung (UDcb) des DC-Busses (6) ableitet. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 9/14