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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten Energiespeicher, ein Energiespeichernetz mit einer Parallelschaltung aus wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten Energiespeicher und ein Verfahren zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten Energiespeicher.
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen wie zum Beispiel Windkraftanlagen als auch in Fahrzeugen wie zum Beispiel Hybrid- oder Elektrofahrzeuge vermehrt neue Akkumulatorsysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zyklisierung, Lebensdauer, Verfügbarkeit und Performance gestellt werden. Hintergrund dieser hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall oder Performanceverlust des Akkumulators zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann. Beispielsweise führt bei einem Elektrofahrzeug ein Ausfall der Traktionsbatterie zu einem sogenannten ”Liegenbleiber”. Dies kann sogar zu sicherheitsrelevanten Problemen führen. Beispielsweise werden bei Windkraftanlagen Akkumulatoren eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen.
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Das Prinzipschaltbild eines herkömmlichen Akkumulatormoduls 40 ist in 6 dargestellt. Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Akkumulatormoduls 40 zu erzielen, werden einzelne Akkumulatorzellen 42 permanent in Serie zu einem Akkumulatorstrang 44 geschaltet. Das heißt, es handelt sich um nicht schaltbare Verbindungen. Zusätzlich werden sie teilweise parallel geschaltet. Neben den Akkumulatorzellen 42 weist das Akkumulatormodul 40 noch eine sogenannte Lade- und Trenneinrichtung 46, die in 6 beispielhaft zwischen dem Pluspol 48 des Akkumulatormoduls 40 und den Akkumulatorzellen 42 angeordnet ist. Mit einem Trennschalter 50 kann das Akkumulatormodul 40 einpolig zu- beziehungsweise abgeschaltet werden. Als optionale Funktionseinheit ist in 6 noch eine weitere Trenneinrichtung 51 dargestellt, mit der das Akkumulatormodul 40 – falls gefordert über einen zweiten Trennschalter 52 – zweipolig abgeschaltet werden kann. In der Lade- und Trenneinrichtung 46 befindet sich noch ein sogenannter Ladeschalter 54, mit dem ein Ladewiderstand 56 zwischen die Akkumulatorzellen 42 und die extern angeschlossenen elektrischen Verbraucher geschaltet werden kann, um die Ausgleichsströme beim Zuschalten des Akkumulatormoduls 40 zu begrenzen.
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Nach dem heutigen Stand der Technik sind alle elektrischen Energiespeicher, wie zum Beispiel Blei-Säure-Akkumulatorsysteme, Ni-Akkumulatorsysteme, Li-Akkumulatorsysteme, Doppelschichtkondensatoren entweder für einen hohen Leistungs- oder hohen Energiebedarf ausgelegt. Elektrische Energiespeicher, die beide Anforderungen in gleichem Umfang erfüllen, sind zur Zeit nicht verfügbar. Derartige Energiespeicher wären beispielsweise für Traktionsanwendungen, wie in Elektrofahrzeugen, vorteilhaft, wo eine hohe Leistungsfähigkeit für den Beschleunigungsvorgang und eine hohe Energiemenge zum Fahren über weite Distanzen gefordert wird. Wird ein Energiespeicher, der beispielsweise für hohe Energiemengen ausgelegt ist, dennoch bei hohen Leistungen betrieben nimmt seine Lebensdauer sehr stark ab.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten Energiespeicher anzugeben, mit der die Performance und Zuverlässigkeit von Energiespeichernetzen gegenüber heutigen Energiespeichernetzen deutlich erhöht werden kann.
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Die Erfindung gibt daher eine Schaltung zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten Energiespeicher an. Erfindungsgemäß weist die Schaltung einen ersten Schalter auf, der zum Verwalten der elektrischen Verbindung des leistungsoptimierten Energiespeichers oder des energieoptimierten Energiespeichers mit dem Energiespeichernetz basierend auf den Lastanforderungen eines an das Energiespeichernetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchers vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt es somit einen leistungsoptimierten Energiespeicher und einen energieoptimierten Energiespeicher zusammen in einem einzigen Energiespeichernetz zusammen arbeiten zu lassen. Die Performanceanforderungen des an das Energiespeichernetz angeschlossenen Verbrauchers kann damit optimal abgestimmt werden. Auch führt beispielsweise der Ausfall eines einzelnen Energiespeichers nicht zum vollständigen Ausfall des gesamten Energiespeichernetzes. Das Energiespeichernetz kann somit noch mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit weiter verwendet werden.
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Grundgedanke der Erfindung ist es somit, eine Schaltung für ein Energiespeichernetz zu schaffen, mit der heutige Energiespeichernetze intern um eine zusätzliche Funktionseinheit erweitert werden können. Die erfindungsgemäße Schaltung stellt dabei eine Trenneinrichtung dar. Auf Basis dieser Schaltung können neuartige Energiespeichernetze oder Energiespeichersysteme aufgebaut werden, die aus mehreren Energiespeichern bestehen. Unter einem Energiespeicher wird im Weiteren eine einzelne Energiespeicherzelle oder mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen verstanden. Diese Energiespeicher unterscheiden sich durch ihre Energie- bzw. Leistungscharakteristik. Je nach Lastanforderungen des Verbrauchers können die einzelnen Energiespeicher somit geeignet zum Energiespeichernetz zu- oder abgeschaltet. Dadurch wird die Performance des Energiespeichersystems gegenüber herkömmlichen Energiespeichersystemen wesentlich verbessert.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer besonderen Ausführung kann die Schaltung eine Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung eines elektrischen Stroms durch den ersten Schalter aufweisen. Eine derartige Begrenzungseinrichtung stellt eine Ladeeinrichtung dar, welche die beim Zuschalten eines Energiespeichers an das Energiespeichernetz auftretenden Lade- beziehungsweise Ausgleichsströme begrenzt. Ursache für diese Ströme sind die Eingangskapazitäten des oder der mit dem Energiespeichernetz verbundenen elektrischen Verbraucher beziehungsweise die ungleichen Ladezustände der einzelnen Energiespeicher, welche im Allgemeinen vor ihrem Zuschalten nicht die selbe Spannung aufweisen, wie die Gesamtspannung des Energiespeichernetzes.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Schaltung einen zweiten Schalter zum Überbrücken des ersten Schalters und der Begrenzungseinrichtung aufweisen. Auf diese Weise werden Verlustleistungen, die durch die Begrenzungseinrichtungen auftreten im Arbeitspunkt des Gesamtsystems vermieden.
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In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführung der Erfindung kann die Begrenzungseinrichtung ein elektrischer Widerstand und der zweite Schalter zum Überbrücken des ersten Schalters und des Widerstandes, basierend auf einem Spannungsabfall am Widerstand, vorgesehen sein. Damit erfolgt die Begrenzung der Lade- beziehungsweise Ausgleichsströme im einfachsten Fall über einen Widerstand, welcher dem ersten Schalter, wenn er als Ladeschalter arbeitet, in Serie geschaltet ist. Durch geeignete Wahl des Widerstandswertes können die Ausgleichsströme auf zuverlässige Werte für das Energiespeichersystem und für die externen Systeme begrenzt werden. Weist die Spannung an den Polen des Energiespeichermoduls mit Lade- und Trenneinrichtung nahezu die selbe Spannung auf, wie die Gesamtspannung des Energiespeichersystems, was heißt, dass der Spannungsabfall am Lastwiderstand gering ist, kann der Trennschalter in der Lade- und Trenneinrichtung geschlossen werden.
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In einer anderen oder zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung kann die Schaltung Signalleitungen zur Steuerung und Diagnose der Funktionseinheiten für wenigstens einen der Energiespeicher aufweisen. Dies schafft zusätzliche Überwachungsmittel, die es erlauben, beim Ausfall eines oder mehrerer Energiespeicher diese abzuschalten. Das Energiespeichernetz weist dann zwar eine für den elektrischen Verbraucher eingeschränkte Leistungsfähigkeit gegenüber dem regulären Betrieb auf. Bei geeigneter Auslegung des Energiespeichernetzes kann aber ein Ausfall des Energiespeichernetzes beziehungsweise ein sicherheitskritischer Zustand des Energiespeichernetzes vermieden werden. Darüber hinaus wird der Ausfall des Energiespeichers erkannt und es können Reparaturmaßnahmen eingeleitet werden. Dadurch kann Zuverlässigkeit des Energiespeichernetzes deutlich erhöht werden.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung kann wenigstens der erste Schalter ein DC/DC-Wandler sein.
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Die Erfindung gibt auch ein Energiespeichernetz mit einer Parallelschaltung aus wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten Energiespeicher an. Dabei ist das Energiespeichersystem zur Abgabe einer elektrischen Energie an einen elektrischen Verbraucher vorgesehen. Erfindungsgemäß weist das Energiespeichernetz eine erste zum leistungsoptimierten Energiespeicher in Reihe geschaltete erfindungsgemäße Schaltung und eine zweite zum energieoptimierten Energiespeicher in Reihe geschaltete erfindungsgemäße Schaltung auf. Auf Basis der erfindungsgemäßen Schaltung können somit Energiespeichernetze aufgebaut werden, die aus parallel verschalteten Energiespeichern bestehen. Diese Energiespeichernetze weisen gegenüber herkömmlichen Energiespeichernetzen aufgrund ihrer Fähigkeit trotz defekter Energiespeicher innerhalb ihres Netzes trotzdem weiter elektrische Energie zu liefern eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit auf.
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In einer besonderen Ausführung der Erfindung kann der leistungsoptimierte und/oder der energieoptimierte Energiespeicher eine Reihenschaltung aus wenigstens zwei Energiespeicherzellen aufweisen, um beispielsweise Hochvoltbatterien bereitzustellen.
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In einer zusätzlichen oder anderen Weiterbildung der Erfindung kann das Energiespeichernetz oder die erfindungsgemäße Schaltung wenigstens eine Diagnoseeinrichtung zum Überprüfen des Funktionszustandes des leistungsoptimierten und/oder energieoptimierten Energiespeichers aufweisen.
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In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführung der Erfindung kann das Energiespeichernetz oder die erfindungsgemäße Schaltung eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen des Funktionszustandes des leistungsoptimierten und/oder energieoptimierten Energiespeichers aufweisen, um den Ausfall eines Energiespeichers zu erkennen und Reparaturmaßnahmen einzuleiten.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung können die erste und zweite erfindungsgemäßen Schaltungen entsprechend zum Trennen des leistungsoptimierten und energieoptimierten Energiespeichers vom Energiespeichernetz vorgesehen sind, wenn der jeweilige Energiespeicher einen kritischen Funktionszustand erreicht hat, um den betreffenden Energiespeicher beispielsweise vor weiterer Beschädigung zu schützen.
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Der kritische Funktionszustand kann in diesem Zusammenhang ein Performanceverlust oder ein Ausfall des jeweiligen Energiespeichers sein.
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Die Energiespeicher selbst können Blei-Säure-Akkumulatorsysteme, Nickel-Akkumulatorsysteme, Lithium-Akkumulatorsysteme und/oder Doppelschichtkondensatorsysteme aufweisen. Akkumulatorsysteme sind meist geeignet, elektrische Energie energieoptimiert aufzunehmen und abzugeben, während Kondensatorsysteme eher in der Lage sind, elektrische Energie leistungsorientiert aufzunehmen und abzugeben.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann eine dritte erfindungsgemäße Schaltung zum Verwalten der Verbindung des Energienetzes zum elektrischen Verbraucher.
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Dabei kann die dritte Schaltung zum gemeinsamen Laden der beiden Energiespeicher vorgesehen sein. So können die einzelnen erfindungsgemäßen Schaltungen, die zum Anschließen und Trennen der einzelnen Energiespeicher innerhalb des Energiespeichernetzes vorgesehen sind beim Anschließen des Energiespeichernetzes an einen elektrischen Verbraucher mit einer einzigen Begrenzungsschaltung an diesen angeschlossen werden, was nicht nur die Kosten für die einzelnen Begrenzungsschaltungen in den Zweigen des Energiespeichernetzes spart, das Energiespeichernetz verbraucht auch weniger Platz.
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Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Steuern der Abgabe elektrischer Energie aus einem Energiespeichernetz mit wenigstens einem leistungsoptimierten Energiespeicher und einem energieoptimierten Energiespeicher an. Erfindungsgemäß wird die elektrische Verbindung zwischen dem leistungsoptimierten Energiespeicher oder dem energieoptimierten Energiespeichers und dem Energiespeichernetz basierend auf den Lastanforderungen eines an das Energiespeichernetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchers verwaltet.
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Zeichnungen
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Nachfolgend werden nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 ein Energiespeichernetz gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel mit erfindungsgemäßen Schaltungen;
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4 ein Energiespeichernetz gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel mit erfindungsgemäßen Schaltungen;
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5 eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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6 ein Energiespeichernetz gemäß dem Stand der Technik.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
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Bevor die Erfindung detailliert beschrieben wird, soll zunächst der Begriff Zuverlässigkeit im hier verwendeten Sinn definiert werden. Gemäß Lauber/Göhner, Prozessautomatisierung 1, 3. Auflage, Springer-Verlag versteht man unter der Zuverlässigkeit (engl. reliability) die Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit fehlerfrei zu arbeiten. Dies wird manchmal auch Verlässlichkeit genannt.
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Erfindungsgemäß kann die Performance eines Energiespeichernetzes deutlich erhöht werden, wenn die einzelnen Energiespeicher zu einem geeigneten Lastzeitpunkt des elektrischen Verbrauchers zu- beziehungsweise abgeschaltet werden. Die Zuverlässigkeit von herkömmlichen Energiespeichernetzen kann deutlich erhöht werden, wenn der Ausfall eines einzelnen Energiespeichers nicht unmittelbar zum Ausfall des gesamten Energiespeichernetzes führt. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Energiespeichernetz gegenüber herkömmlichen Energiespeichernetzen intern um wenigstens eine erfindungsgemäße zusatzliche Schaltung als Funktionseinheiten erweitert, die im Folgenden zunächst beschrieben werden.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Im ersten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Schaltung als Trenneinrichtung 2 mit einem Trennschalters 3 aufgebaut und dient dazu, das einen Energiespeicher 4, der in 1 als Reihenschaltung mehrerer Energiespeicherzellen 6 dargestellt ist, einpolig von einem seiner beiden Pole 8, 10 abzuschalten beziehungsweise niederohmig an den entsprechenden Pol 8 anzubinden. Für eine zweipolige Abschaltung des Energiespeichers 4 können auch zwei erfindungsgemäße Trenneinrichtungen 2 zum Einsatz kommen. Sinnvollerweise sind diese direkt am Pluspol 8 und direkt am Minuspol 10 des Energiespeichers 4 angeordnet. Weiter kann wenigstens eine Signalleitung 12 zur Steuerung und Diagnose der einzelnen Funktionseinheiten 2, 4 vorgesehen sein, die ihre Ergebnisse an eine Steuerungs- und/oder Anzeigeeinheit 14 weiterleitet.
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Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung ist unabhängig von der konkreten Realisierung des Trennschalters 3 in der Trenneinrichtung 2, für den unter anderem die Realisierung als elektromechanischer Schalter, wie beispielsweise ein Relais oder ein Schütz, als elektronischer Schalter, wie beispielsweise ein Halbleiterschalter oder eine Kombination aus elektromechanischem und elektronischem Schalter in Betracht kommen.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 2 sind Elemente aus 1, die die gleiche Funktion erfüllen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Danach kann die erfindungsgemäße Schaltung eine Lade- und Trenneinrichtung 16 sein, die die funktionale Erweiterung der Trenneinrichtung 2 aus 1 um eine Ladeeinrichtung darstellt, und beim Zuschalten des Energiespeichers 4 die auftretenden Lade- beziehungsweise Ausgleichsströme 17 begrenzt. Ursache für diese Ströme 17 sind die Eingangskapazitäten der elektrischen Verbraucher als externe Systeme beziehungsweise die ungleichen Ladezustände der Energiespeicher 4, welche im Allgemeinen vor Zuschalten des Energiespeichers 4 nicht die selbe Spannung aufweisen, wie die Gesamtspannung des schlussendlichen Energiespeichernetzes. Die Begrenzung der Lade- beziehungsweise Ausgleichsströme 17 erfolgt im einfachsten Fall über einen Widerstand 18, welcher dem hier als Ladeschalter fungierenden Trennschalter 3 in Serie geschaltet ist. Dieser Widerstand und/oder der Schalter 3 kann auch als DC/DC-Wandler ausgeführt werden. Durch eine geeignete Wahl des Widerstandswertes oder eine geeignete Aussteuerung des DC/DC-Wandlers können die Ausgleichsströme 17 auf zuverlässige Werte für das Energiespeichernetz und für die an das Energiespeichernetz angeschlossenen elektrischen Verbraucher begrenzt werden. Weist die Spannung 22 an den Polen des Energiespeichers 4 mit Lade- und Trenneinrichtung 16 nahezu die selbe Spannung auf, wie die Gesamtspannung 24 des Energiespeichersystems, was heißt, dass der Spannungsabfall 26 am Lastwiderstand 18 gering ist, kann der mit dem Ladeschalter 3 in Reihe geschaltete Widerstand 18 durch einen weiteren Trennschalter 20 in der Lade- und Trenneinrichtung 16 überbrückt werden. Optional kann der Ladeschalter 3 nun geöffnet werden.
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Der Zuschaltvorgang eines Energiespeichers 4 zu einem Energiespeichernetz läuft somit wie folgt ab. Zunächst wird bei geöffnetem Trennschalter 20 der Ladeschalter 3 der Lade- und Trenneinrichtung 16 geschlossen. Die Kapazitäten des elektrischen Verbrauchers beziehungsweise der bereits zugeschalteten Energiespeicher werden daraufhin auf- beziehungsweise umgeladen, bis die Spannung an den Polen 28, 30 der Gesamtanordnung in etwa der Spannung der anderen Energiespeicher im Energiespeichernetz entspricht. Dann wird der Trennschalter 20 geschlossen und der Ladevorgang abgeschlossen. Die Energiespeicherzellen 6 des Energiespeichers 4 sind dann niederohmig mit den Polen 28, 30 des Energiespeichernetzes verbunden.
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Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung ist unabhängig von der konkreten Realisierung der Ladeschalter 3 und Trennschalter 20 in der Lade- und Trenneinrichtung 16, für den unter anderem die Realisierung als elektromechanischer Schalter, wie beispielsweise ein Relais oder ein Schütz, als elektronischer Schalter, wie beispielsweise ein Halbleiterschalter oder eine Kombination aus elektromechanischem und elektronischem Schalter in Betracht kommen.
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Auf Basis der beschriebenen Schaltungen 2, 16 und 39 als Funktionseinheiten können Energiespeichermodule mit parallel verschalteten Energiespeicherzellen 4 aufgebaut werden. Abhängig von den Anforderungen an das Energiespeichernetz, kann der Einsatz verschiedener Topologien für das Energiespeichermodul sinnvoll sein.
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Ein Energiespeichermodul 32 mit einer Trenneinrichtung 2 wie in 1 gezeigt kann eingesetzt werden, um die Energiespeicherzellen 6 einpolig von einem der beiden Pole 28, 30 des Energiespeichermoduls 32 abzuschalten beziehungsweise die Energiespeicherzellen 6 niederohmig an den entsprechenden Pol 8, 10 anzubinden. Die Trenneinrichtung 2 kann beispielsweise, wie in 4 gezeigt, am Pluspol 8 angeordnet sein. Beim Ausfall oder Performanceverlust einer oder mehrerer Energiespeicherzellen 6 kann die Trenneinrichtung 2 die Energiespeicherzellen 6 dauerhaft abschalten.
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Ein Energiespeichermodul 34 mit einer Lade- und einer Trenneinrichtung 16, wie in 2 gezeigt, kann gegenüber dem Energiespeichermodul 32 aus 1 eingesetzt werden, um die Lade- beziehungsweise Ausgleichsströme 17 beim Zuschalten an das Energiespeichernetz zu begrenzen. Im Übrigen entspricht die Topologie des Energiespeichermoduls 34 der Topologie des Energiespeichermoduls 32 aus 1.
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Mit den beschriebenen Energiespeichermodulen 32, 34 können modulare Energiespeichernetze aufgebaut werden, die gegenüber herkömmlichen Energiespeichernetzen eine deutliche höhere Zuverlässigkeit aufweisen. Als Beispiele für die Verschaltung der beschriebenen Energiespeichermodule 32, 34 sollen zwei Energiespeichernetze mit unterschiedlichen Topologien betrachtet werden.
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In 3 ist eine erste Topologie 36 für ein Energiespeichernetz mit den zuvor beschriebenen Energiespeichermodulen 32, 34 gezeigt.
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In dieser ersten Topologie 36 ist im Energiespeichernetz eine separate Lade- und Trenneinrichtung 16 aus 2 vorgesehen, wobei die einzelnen Energiespeichermodule 32 gemäß der Topologie aus 1 verschaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Energiespeicher 4 mit unterschiedlichen Energie- und Leistungscharakteristiken in den einzelnen Energiespeichermodulen 32 eingesetzt werden können. Auch ist insgesamt nur eine einzige Ladeeinrichtung 3, 18 notwendig, die beim Zuschalten zum Energiespeichernetz aktiv wird. Jedoch ist das Energiespeichernetz dieser Topologie erhöhten Spannungsschwankungen und Ausgleichsströmen 17 ausgesetzt, da keine Ladeeinrichtungen 3, 18 an den einzelnen Energiespeichermodulen 32 vorgesehen sind.
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In 4 ist eine zweite Topologie 38 für ein Energiespeichernetz mit den zuvor beschriebenen Energiespeichermodulen 32, 34 gezeigt.
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In dieser zweiten Topologie sind mehrere Energiespeichermodule 34 gemäß der Topologie aus 2 oder 5 miteinander verschaltet. Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Energiespeichermodule 34 mit unterschiedlichen Energie- und Leistungscharakteristiken eingesetzt werden können. Gegenüber der vorstehenden Topologie 36 aus 3 treten nun auch weniger Spannungsschwankungen und Ausgleichsströme 17 auf, da jedes Energiespeichermodul 34 eine eigene Lade- und Trenneinrichtung 16 aufweist. Jedoch ist hier ein höherer Zusatzaufwand für die Ladeeinrichtung 3, 18 oder die DC/DC-Wandler 39 in jedem Energiespeichermodul 34 notwendig, was sich in höheren Kosten und einem größeren Bauraum des gesamten Energiespeichernetzes widerspiegelt.
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Für alle zuvor beschriebenen Energiespeichernetze gilt, dass bei Ausfall oder Performanceverlust eines oder mehrerer Energiespeichermodule 32, 34 das betroffene Energiespeichermodul 34 nach Öffnen des Trennschalters 3, 20 oder Abschalten des DC/DC-Wandlers 39 permanent vom Energiespeichernetz abgeschaltet werden kann. Das Energiespeichernetz steht dann mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit weiterhin zur Verfügung. Abhängig von der Anzahl der Energiespeichermodule 32, 34 des Energiespeichernetzes und der Anzahl von Energiespeichermodulen 32, 34 mit unterschiedlicher Energie- und Leistungscharakteristik, kann das Energiespeichernetz optimal auf die externen Anforderungen der an das Energiespeichernetz angeschlossenen elektrischen Verbraucher abgestimmt werden und damit die Performance des Energiespeichernetzes entscheidend verbessert werden.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 5 sind Elemente aus 1 und 2, die die gleiche Funktionen erfüllen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Danach kann die erfindungsgemäße Schaltung ein DC/DC-Wandler sein, der die funktionale Erweiterung der Lade- und Trenneinrichtung 16 aus 2 darstellt, und ein stufenlose Spannungsanpassung des Energiespeichers 4 gegenüber des schlussendlichen Energiespeichernetzes zulässt. Der DC/DC-Wandler 39 erlaubt die Nutzung von verschiedenen Energiespeichern 4, die unterschiedliche Spannungen 24 untereinander aufweisen. Der DC/DC-Wandler sorgt dabei für eine Spannungsanpassung, sodass alle Energiespeichermodule die gleiche Spannung 22 im Energiespeichernetz aufweisen und es zu keinen Ausgleichströmen 17 zwischen den Energiespeichermodulen 34 kommt. Gleichzeitig erlaubt der DC/DC-Wandler 39 für jeden Energiespeicher 4 eine individuelle Betriebsführung, die die Spannung 22 nicht beeinflusst.
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Erfindungsgemäß kann durch einen Schalter, der basierend auf den Lastanforderungen eines an ein Energiespeichernetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchers zum Verwalten einer elektrischen Verbindung zwischen einem leistungsoptimierten Energiespeicher oder einen energieoptimierten Energiespeicher mit dem Energiespeichernetz vorgesehen ist, die Performance des Energiespeichernetzes gesteigert werden.
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Neben der obigen Offenbarung wird hier ausdrücklich auf die Offenbarung der Figuren verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Lauber/Göhner, Prozessautomatisierung 1, 3. Auflage, Springer-Verlag [0032]
