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Die Erfindung betrifft eine Energieliefervorrichtung mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten. Die Energieliefervorrichtung kann beispielsweise ein stationärer Batteriespeicher oder eine Fahrzeugbatterie für ein Elektrofahrzeug sein. Entsprechend können die Nutzeinheiten jeweils durch ein Batteriezellenmodul gebildet sein. Die Energieliefervorrichtung kann eine Stromschienenmatrix aufweisen, über welche die Nutzeinheiten wahlweise mit einem an die Energieliefervorrichtung angeschlossenen Gerät oder einer angeschlossenen Energiequelle elektrisch verbunden werden können, um einen Energieaustausch durchzuführen. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben der Energieliefervorrichtung.
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Eine Energieliefervorrichtung der genannten Art ist beispielsweise aus der
US 7 087 327 B2 bekannt. Darin ist beschrieben, dass eine Energieliefervorrichtung eine Reihenschaltung aus Brennstoffzellenstapeln aufweisen kann, die in der Summe eine elektrische Spannung für ein an die Energieliefervorrichtung angeschlossenes Gerät bereitstellen können. Jeder Brennstoffzellenstapel kann in der Reihenschaltung einzeln elektrisch durch eine Diode überbrückt werden, sodass er bei einem Defekt nicht die gesamte Energieliefervorrichtung blockiert oder stilllegt. Es gibt in der Reihenschaltung Ersatz-Brennstoffzellenstapel, um auch bei einem Ausfall eines Brennstoffzellenstapels weiterhin die Spannung bereitstellen zu können. Ein Ersatz-Brennstoffzellenstapel bleibt so lange ungenutzt, bis er aufgrund eines Defekts eines anderen Brennstoffzellenstapels benötigt wird. Um einen größeren Betriebsstrom zu liefern, können mehrere der besagten Reihenschaltungen parallel geschaltet sein. Zum Einstellen einer bestimmten Schaltkonstellation als Brennstoffzellenstapeln sind Schalter vorgesehen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass aufgrund der notwendigen freien Konfigurierbarkeit eine Steuerung der Ausgangsstromstärke nur innerhalb jedes einzelnen Brennstoffzellenstapels erfolgen kann, was die Energieliefervorrichtung in der Herstellung kostspielig macht.
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Eine weitere Energieliefervorrichtung mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten in Form von Energiespeicherelementen ist aus der US 2006 / 0 092 583 A1 bekannt. Die einzelnen Energiespeicherelemente sind ebenfalls mittels einer Vielzahl von Schaltern zu unterschiedlichen Schaltkonstellationen kombinierbar. Eine galvanische Trennung zwischen den einzelnen Speicherelementen ist nicht vorgesehen.
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Aus der WO 2013/ 021 364 A1 ist ein System aus Solarpaneelen und einem Batteriespeicher bekannt, wobei in dem Batteriespeicher Batteriemodule zu Strängen verschaltet sind, die über eine Stromschienenanordnung mit den Solarpaneelen verbunden sind. Ein Ladestrom für die Batteriemodule kann in Abhängigkeit von deren Zustand eingestellt werden.
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Aus der US 2013 / 0 335 026 A1 geht hervor, dass mehrere Stränge aus Batteriemodulen an eine Stromschiene geschaltet sein können, wobei ein jeweiliger Strangstrom individuell für jeden Strang eingestellt wird. Hierdurch kann der jeweilige Alterungszustand der Batteriemodule jedes Strangs berücksichtigt werden.
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Aus der
DE 10 2015 216 097 A1 ist ein Antriebssystem für ein Unterseeboot bekannt, bei dem ein Batteriestrang zur elektrischen Energieversorgung von einer zugeordneten Nutzeinheit an ein Stromschienenpaar geschaltet werden kann.
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Aus der
DE 10 2011 054 145 A1 ist eine Batteriezellen-Bypass-Schaltung bekannt, bei der eine oder mehrere von in Reihe geschaltete Batteriezellen im Bedarfsfall überbrückt werden können.
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Aus der US 2009 / 0 066 291 A1 ist ein Steuersystem zur Steuerung von Lade- und Entladevorgängen in Energiespeichersystemen, wie beispielsweise mehreren parallelgeschalteten Batteriesträngen mit einer Reihenschaltung aus Batteriezellen bekannt. Die Batteriestränge können im Bedarfsfall abgeschaltet werden.
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Aus der
EP 3 038 229 A1 ist ein Batterie als Energiespeicher für ein Elektrofahrzeug bekannt. Die Batterie umfasst mehrere parallelgeschaltete Batteriestränge mit einer Reihenschaltung aus Batteriezellen. Die Batteriestränge können im Bedarfsfall mittels einer Schalteranordnung abgeschaltet werden.
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Aus der WO 2011/ 145 939 A2 ist ein Ladesystem bekannt, bei dem eine Schaltermatrix zum Verbinden eines oder mehrerer Elektrofahrzeuge mit einer Ladesäule betrieben wird.
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Aus der US 2013 / 0 057 210 A1 ist ein Verfahren zum Verteilen von Ladeenergie zwischen einer Vielzahl von Ladesäulen einer Batterieladestation für ein Kraftfahrzeug bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine variabel konfigurierbare elektrische Energieliefervorrichtung für einen Energieaustausch mit mehreren Geräten und/oder Energiequellen bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist eine elektrische Energieliefervorrichtung bereitgestellt, in welcher eine Vielzahl von Nutzeinheiten vorgesehen ist. Jede Nutzeinheit ist dazu eingerichtet, elektrische Energie zu erzeugen oder zwischenzuspeichern oder dynamisch umzuverteilen (wie ein Kondensator). Die Energieliefervorrichtung kann als stationärer Energiespeicher oder als mobiler Energiespeicher ausgestaltet sein.
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An die Energieliefervorrichtung kann zumindest ein Gerät, also ein elektrischer Verbraucher, und/oder zumindest eine Energiequelle angeschlossen werden. Im Folgenden sind Geräte, also elektrische Verbraucher, und Energiequellen und dem Begriff „Fremdkomponenten“ zusammengefasst.
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Um eine Verbindung zwischen einer angeschlossenen Fremdkomponente und den einzelnen Nutzeinheiten der Energieliefervorrichtung flexibel zu gestalten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Energieliefervorrichtung einen Energieaustausch über eine Stromschienenanordnung durchführt, wobei Stromschienen der Stromschienenanordnung eine Stromschienenmatrix bilden. Mit anderen Worten sind mehr als zwei Stromschienen vorgesehen, sodass mehrere unterschiedliche Stromschienenpaare zum Übertragen einer Gleichspannung zwischen Nutzeinheiten und an die Energieliefervorrichtung angeschlossenen Fremdkomponenten möglich sind. Es sind also mindestens drei Stromschienen, bevorzugt aber mehrere Stromschienen pro Plus-Potential und pro Minus-Potential oder Massepotential vorgesehen. Mittels eines der Stromschienenpaare kann dann Gleichspannung zu einem Gerät übertragen werden oder aus einer Energiequelle empfangen werden. Um die Nutzeinheiten flexibel an die Stromschienenmatrix anbinden zu können, wären theoretisch eine Vielzahl von Schaltern an der Stromschienenmatrix nötig. Dies wird erfindungsgemäß aber verhindert, indem die Nutzeinheiten in Stränge aufgeteilt sind und in jedem Strang dessen Nutzeinheiten zu einer Reihenschaltung verschaltet sind. Jeder Strang hat zwei Strangenden, nämlich ein Plus-Ende und ein Minus-Ende. Jedes Strangende ist über eine jeweilige galvanisch trennfähige Schalteinheit mit der Stromschienenanordnung verbunden. Eine galvanisch trennfähige Schalteinheit ist eine mechanische Schalteinheit, die beispielsweise zumindest ein Schütz vorsehen kann. Innerhalb des Strangs ist die Reihenschaltung über einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit einem der Strangenden verbunden. Allgemein kann der Gleichspannungswandler ein Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller oder ein Inverswandler sein. Bevorzugt ist der Gleichspannungswandler ein Tiefsetzsteller.
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An das andere Strangende kann die Reihenschaltung direkt angeschlossen sein.
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An die Energieliefervorrichtung können mehrere Fremdkomponenten zugleich für einen Energieaustausch angeschlossen werden. Der Energieaustausch zwischen der Energieliefervorrichtung einerseits und einer mit der Energieliefervorrichtung gekoppelten Fremdkomponente andererseits kann durch eine Steuereinrichtung gesteuert werden. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, für den Energieaustausch für den Fall, dass mehrere Fremdkomponenten an unterschiedlichen der Stromschienen der Stromschienenanordnung angeschlossen sind, für den Energieaustausch die Fremdkomponenten mit jeweils zumindest einem der Stränge durch Schalten der Schalteinheiten des jeweiligen Strangs zu verbinden und dabei aber die Fremdkomponenten untereinander galvanisch getrennt zu halten.
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Um ein Strangende variabel mit unterschiedlichen Stromschienen der Stromschienenanordnung verbinden zu können, kann jede Schalteinheit beispielsweise mehrere Schütze aufweisen, wobei jeweils ein Schütz zum Verbinden des Strangendes mit einer Stromschiene vorgesehen sein kann. Es kann als Schalteinheit auch ein Schütz vom Typ eines Wechselschalters (1-zu-N-Wechselschalter) vorgesehen sein, der zwischen den unterschiedlichen Stromschienen umschalten kann. Natürlich kann jede Schalteinheit ein Strangende auch galvanisch von allen Stromschienen entkoppeln.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass mittels einer Energieliefervorrichtung mit mehreren unterschiedlichen Fremdkomponenten gleichzeitig ein Energieaustausch durchgeführt werden kann. Von einer angeschlossenen Energiequelle kann elektrische Energie empfangen werden. An ein angeschlossenes Gerät kann elektrische Energie abgegeben werden. Sämtliche Fremdkomponenten bleiben dabei galvanisch getrennt, sodass sich die Fremdkomponenten nicht gegenseitig beeinflussen.
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Gemäß der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, während des Energieaustauschs Stromstärken von zumindest zwei Strängen, die mit derselben Fremdkomponente verbunden sind, im Verhältnis zueinander aufzuteilen, und zwar in Abhängigkeit von der Leitungslänge der Stromschienenanordnung, die von dem Strang zu der Fremdkomponente führt. Durch das Berücksichtigen der Leitungslänge kann der Unterschied in den an den Strangenden wirksamen Leitungswiderständen ausgeglichen werden. So kann der Strang mit kürzerer Leitungslänge eine größere Stromstärke zugeteilt bekommen als der Strang mit der längeren Leitungslänge. Somit wird die Auswirkung unterschiedlicher Leitungslängen kompensiert.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Die Energieliefervorrichtung kann auf unterschiedlichen Technologien zum Bereitstellen von elektrischer Energie beruhen. Jede Nutzeinheit kann jeweils zumindest eine Batteriezelle, insbesondere ein Batteriezellenmodul oder einen Verbund aus mehreren (zum Beispiel parallel geschalteten) Batteriezellenmodulen gebildet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine Nutzeinheit zumindest eine Brennstoffzelle und/oder zumindest ein Solarpanel und/oder zumindest einen Kondensator und/oder einen Generator umfassen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass in jedem Strang jeweils nur Nutzeinheiten derselben Technologie, zum Beispiel nur Batteriezellenmodule, bereitgestellt sind. Es können aber Stränge unterschiedlicher Technologie bereitgestellt sein, um z.B. ein vorbestimmtes Leistungsprofil und/oder Stromprofil bereitstellen zu können, das mit einer einzelnen Technologie nicht erzeugbar wäre.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, eine thermische und/oder elektrische Belastung der einzelnen Stränge zu begrenzen, indem abwechselnd unterschiedliche Stränge mit einer der Fremdkomponenten zu verbinden. Für einen Energieaustausch kann also eine Fremdkomponente nacheinander abwechselnd mit unterschiedlichen Strängen gekoppelt werden. Beispielsweise kann also ein Elektrofahrzeug mit der elektrischen Energie aus unterschiedlichen Strängen abwechselnd aufgeladen werden. Natürlich können auch mehrere Stränge parallel, also gleichzeitig, das Elektrofahrzeug aufladen. Ein weiterer Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist, dass bei jedem Strang eine Entladetiefe (DoD - Depth of Discharge) auf einen vorbestimmten Grenzwert begrenzt werden, z.B. auf 20%.
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Gemäß einer Weiterbildung sind die Stromschienen der Stromschienenanordnung aus Aluminium oder Kupfer gebildet und thermisch mit den Nutzeinheiten gekoppelt, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, durch Umladen von elektrischer Energie der Stänge über die Stromschienenanordnung eine Heizleistung für die Nutzeinheiten zu erzeugen. Die thermische Kopplung kann beispielsweise mittels eines Kühlkreislaufs bewirkt sein. Durch das Umladen kann auch ein sogenanntes Balancing zwischen Strängen bewirkt werden, um deren Ausgangsspannungen anzugleichen.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, während des Energieaustauschs Stromstärken von zumindest zwei Strängen, die mit derselben Fremdkomponente verbunden sind, im Verhältnis zueinander aufzuteilen, und zwar
in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Stromprofil und/oder Leistungsprofil, das jeweils mittels der Stränge bereitgestellt werden soll. Durch Aufteilen der Stromstärke in Abhängigkeit von einem Stromprofil und/oder Leistungsprofil kann für jeden Profilabschnitt oder Zeitabschnitt jeweils derjenige Strang ganz oder zumindest zum größeren Teil verwendet werden, dessen Technologie und/oder Betriebszustand dem bereitstellen des Profilabschnitts geeignet ist. Das Einstellen der Stromschiene kann mittels des jeweiligen Gleichspannungswandlers des Strang erfolgen.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Energieliefervorrichtung eine mit der Stromschienenanordnung verbundene AC/DC-Wandleranordnung zum Austauschen von elektrischer Energie mit einem öffentlichen elektrischen Versorgungsnetz oder einer netzautarken AC-Energiequelle als jeweilige Fremdkomponente aufweist und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, während des Energieaustauschs, wenn sich zumindest einer der Stränge entlädt, zumindest einen anderen der Stränge über die AC/DC-Wandleranordnung mit der elektrischen Energie aus dem Versorgungsnetz oder der AC-Energiequelle (AC - Wechselstrom) aufzuladen. Somit ist also ein gleichzeitiges Laden und Entladen verschiedener Stränge möglich oder vorgesehen. Beispielsweise kann mittels eines Strangs oder einer Parallelschaltung mehrerer Stränge ein Elektrofahrzeug über ein Stromschienenpaar elektrisch geladen werden, während gleichzeitig über ein weiteres Stromschienenpaar ein Strang oder mehrere Stränge mit elektrischer Energie nach geladen werden. In Kombination mit dem beschriebenen abwechselnden zuschalten von Strängen an eine Fremdkomponente kann so das Elektrofahrzeug nacheinander mittels unterschiedlicher Stränge aufgeladen werden. Mittels der AC/DC-Wandler kann auch ein Stromstärke eines Aufladestrom für die Stränge geregelt werden. Auch ein Stromprofil eines Aufladestroms kann in Abhängigkeit von Kennwerten der im aufzuladenden Strang verwendeten Nutzeinheiten eingestellt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass für jeweils zwei Stränge jeweils eine weitere Schalteinheit vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, für den Energieaustausch die zwei Stränge in Reihe zu schalten, und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die in Reihe geschalteten Stränge galvanisch mit einem Stromschienenpaar zu verbinden. Dann kann auch eine elektrische Spannung zum Beispiel zum Aufladen der Stränge verwendet werden, die größer als die Maximalspannung jedes Strangs ist. Beispielsweise kann also bei Strängen, die eine elektrische Spannung von 400 V erzeugen, zum Beispiel aus einem Transformator bei 800 V aus der AC-Seite eine Ladespannung empfangen werden, die dann an die in Reihe geschalteten Stränge angelegt werden kann, um deren Nutzeinheiten aufzuladen.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die AC/DC-Wandleranordnung mehrere bidirektionale AC/DC-Wandler aufweist, und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, jeden der AC/DC-Wandler unabhängig von den übrigen AC/DC-Wandlern mit einer anderen Stromschiene zu verschalten und/oder zumindest zwei AC/DC-Wandler parallel an eine Stromschiene zu schalten, um eine Stromstärkevorgabe / Leistungsvorgabe zu erfüllen. Somit kann mittels der AC/DC-Wandleranordnung an unterschiedlichen Stromschienen jeweils eine andere elektrische Spannung bereitgestellt werden. Durch Parallelschalten von AC/DC-Wandler kann ein größerer Strom übertragen werden als mit einem einzelnen AC/DC-Wandler.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass innerhalb jedes Strangs für jede Nutzeinheit eine Überbrückungsschaltung vorgesehen ist und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, zum Steuern des Energieaustauschs den jeweiligen Gleichspannungswandler jedes Strangs und die Schalteinheiten jedes Strangs und die Überbrückungsschaltungen jeder Nutzeinheit zu steuern. Somit kann für jede Nutzeinheit individuell festgelegt werden, ob sie an dem aktuellen Energieaustauschvorgang beteiligt wird oder nicht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Energieliefervorrichtung. Die Steuereinrichtung steuert hierbei den Energieaustausch zwischen der Energieliefervorrichtung einerseits und mehreren mit der Energieliefervorrichtung gekoppelten Fremdkomponenten, also zumindest einem Gerät und/oder zumindest einer Energiequelle andererseits. Die Energieliefervorrichtung führt den Energieaustausch über die Stromschienenanordnung durch, wobei mittels der Stromschienen der Stromschienenanordnung eine umschaltbare Stromschienenmatrix gebildet ist, und in der Energieliefervorrichtung die Nutzeinheiten in Stränge aufgeteilt sind und in jedem Strang dessen Nutzeinheiten zu einer Reihenschaltung verschaltet sind und die Reihenschaltung über einen Gleichspannungswandler (insbesondere Tiefsetzsteller) mit einem Strangende des Strangs und wiederum jedes Strangende des Strangs über eine jeweilige galvanisch trennfähige Schalteinheit mit der Stromschienenanordnung verbunden ist. Die Steuereinrichtung verbindet für den Fall, dass mehrere Fremdkomponenten an unterschiedlichen der Stromschienen der Stromschienenanordnung angeschlossen sind, für den Energieaustausch die Fremdkomponenten mit jeweils zumindest einem der Stränge durch Schalten der Schalteinheiten des jeweiligen Strangs und hält dabei die Fremdkomponenten untereinander galvanisch getrennt.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energieliefervorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieliefervorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Nutzeinheit der Energieliefervorrichtung von 1 mit einer Überbrückungsschaltung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine elektrische Energieliefervorrichtung 10, die als Energiespeicher oder als reine Energiequelle oder als eine Kombination daraus ausgestaltet sein kann. Die Energieliefervorrichtung 10 kann z.B. als ein Stationärspeicher für elektrische Energie vorgesehen sein. Sie kann z.B. an einem Straßennetz aufgebaut sein. An die Energieliefervorrichtung 10 kann dann zumindest ein Gerät 100, z.B. ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, angeschlossen werden, um mittels eines Energieaustauschs E z.B. eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs aufzuladen. Die Energieliefervorrichtung 10 kann auch für die Verwendung als Mobilbatterie oder Traktionsbatterie oder Solarspeicher vorgesehen sein. Als Traktionsbatterie kann an die Energieliefervorrichtung z.B. eine elektrische Maschine eines Traktionsantriebs angeschlossen sein. Die Energieliefervorrichtung 10 kann im geladenen Zustand mindestens 1 kW elektrische Leistung ausgeben und/oder mindestens 1 kWh elektrische Energie liefern.
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In der Energieliefervorrichtung 10 können für den Energieaustausch E mehrere Schaltungszweige oder Strings oder Stränge 11 vorgesehen sein, wobei in jedem Strang 11 jeweils mehrere der Nutzeinheiten 12 zu einer Reihenschaltung 13 verschaltet sein können. Die Nutzeinheiten 12 sind also in der Energieliefervorrichtung 10 zusammengefasst, also z.B. in einer Fahrzeug-Traktionsbatterie oder in einem elektrischen Stationärspeicher. Die Energieliefervorrichtung 10 kann ein Gehäuse aufweisen, in welchem die Stränge 11 und die Stromschienenanordnung 18 angeordnet sind.
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Jede Nutzeinheit 12 kann jeweils einen elektrischen Energiespeicher und/oder eine reine Quelle für elektrische Energie enthalten. Als Energiespeicher kann eine Nutzeinheit z.B. eine elektrochemische Batteriezelle oder ein Batteriezellenmodul mit mehreren Batteriezellen oder einen Kondensator oder eine Kondensatoranordnung mit mehreren Kondensatoren enthalten. Beispiele für Batteriezellen sind solche mit der Technologie Lithium-Ionen, Blei, Solid-State/Festkörper. Beispiele für geeignete Kondensatoren sind Doppelschichtkondensatoren (sog. Supercaps (R)) mit einer Kapazität von bevorzugt mindestens 1mF insbesondere mindestens 100mF). Beispiele für eine reine Quelle sind jeweils einen Brennstoffzelle und eine Solarzelle. Als Energiequelle kann eine Nutzeinheit 12 z.B. eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel oder eine Solarzelle oder ein Solarpanel oder einen Generator z.B. eines Kraftwerks (z.B. eines Pumpspeicherkraftwerks) enthalten. Eine Nutzeinheit 12 kann zur Stromerhöhung auch eine Parallelschaltung von z.B. mehreren Batteriezellen oder Batteriezellenmodulen aufweisen.
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Innerhalb jedes Strangs 11 ist die verwendete Technologie der Nutzeinheiten 12 einheitlich, d.h. es sind z.B. nur Batteriemodule oder nur Solarzellen vorgesehen. Jeder Strang 11 weist also Nutzeinheiten 12 gleicher Technologie auf, also z.B. als Batteriezellenmodul jede einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Aber es können gemischte Technologien durch unterschiedliche Stränge 11 bereitgestellt sein. Hierdurch kann die Energieliefervorrichtung an einen Einsatzzweck oder an ein benötigtes Betriebsprofil angepasst sein. Z.B. können für den Einsatz der Energieliefervorrichtung 10 im Kraftfahrzeug als Traktionsbatterie z.B. zwei Stränge unterschiedlicher Technologie vorgesehen sein, z.B. mit einer Aufteilung der Anzahl der Nutzeinheiten 12: 80% Energiezellen (große Speicherkapazität), 20% Leistungszellen (teurer, aber größerer Leistungsfluss).
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Pro Strang 11 können, wie in 1 gezeigt, zusätzlich zu der Reihenschaltung 13 aus Nutzeinheiten 12 noch vorgesehen sein: ein Gleichspannungswandler 14, jeweils eine mechanische Schalteinheit 15 an den Strangenden 11', eine Messeinrichtung 16 für eine Strangstromstärke I und/oder eine Spannungsmesseinrichtung zum Erfassen einer Summenspannung oder Strangspannung U des Stranges 11.
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Jeder Gleichspannungswandler 14 kann in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein. Allgemein kann der Gleichspannungswandler ein Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller oder ein Inverswandler sein. Jeder Gleichspannungswandler 14 kann insbesondere ein Tiefsetzsteller sein. Jede Schalteinheit 15 kann mechanisch schaltend ausgestaltet sein und ist insbesondere galvanisch trennfähig. Jede Schalteinheit 15 kann mehrere ON/OFF-Schütze oder (wie in 1 gezeigt) einen als Wechselschalter ausgestaltetes Schütz aufweisen (1-zu-N-Multiplexer). Mittels jeder Schalteinheit 15 kann das jeweilige Strangende 11' galvanisch mit Stranganschlüssen 17 abwechselnd verbunden und getrennt werden. Jeder Stranganschluss 17 stellt einen elektrischen Anschluss zu einer Stromschiene 18' dar. Die Stromschienen 18' insgesamt bilden eine Stromschienenanordnung 18 aus unabhängigen Stromschienen 18'. Jeder Stranganschluss 17 eines Strangs 11 kann dabei mit einer anderen Stromschiene 18' der Stromschienenanordnung 18 verbunden sein. Pro Strangende 11' (Plus-Pol und Minus-Pol) können also mehrere Stranganschlüsse 17 vorgesehen sein, um den Strang 11 an mehrere unterschiedliche Stromschienen 18' der Stromschienenanordnung 18 abwechselnd zu verbinden oder von jeder Stromschiene 18' galvanisch zu trennen. Durch Öffnen der beiden Schalteinheiten 15 eines Strangs 11 kann dieser somit galvanisch entkoppelt werden und im laufenden Betrieb der Energieliefervorrichtung 10 auch ausgetauscht werden.
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Jeder Strang 11 kann mittels der Reihenschaltung 13 eine -Summenspannung oder Gleichspannung U an den Stranganschlüssen 17 bereitstellen. Die Gleichspannung U kann eine Gleichspannung (HV) sein, die mehr als 60V, insbesondere mehr als 100V betragen kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Gleichspannung U im Bereich von 8V bis 60V liegt. Zwischen zwei Stromschienen 18' liegt somit eine Gleichspannung an, wenn ein Strang 11 galvanisch mit ihnen verbunden ist. Jeder Strang 11 kann dazu mittels seiner Schalteinheiten 15 abwechselnd mit jeweils einem Paar aus Stromschienen 18 galvanisch verbunden werden. Der Strang 11 kann mittels der Schalteinheiten 15 abwechselnd mit jeweils einem Stromschienen-Paar galvanisch verschaltet werden, indem jeweils ein Strangende 11' an eine Stromschiene 18' des Stromschienenpaars verbunden wird, sodass die Gleichspannung U an dem Stromschienen-Paar abfällt.
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Die Messeinheit 16 kann auch die besagte Gesamtspannungsmessung über den String 11 vorsehen, um die Gleichspannung U zu erfassen. Die Messeinheit 16 ist dazu bevorzugt dem Gleichspannungswandler 14 nachgeschaltet, wie in 1 dargestellt, um eine Spannungsregelung mittels des Gleichspannungswandlers 14 zu ermöglichen. Wie im Zusammenhang mit 2 noch erläutert werden wird, ist noch eine Einzelspannungsmessung in jeder Nutzeinheit 12 vorgesehen.
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Über die Stromschienenanordnung 18 kann das zumindest eine Gerät 100 mit den Strängen 11 verbunden werden. Durch die Stromschienen 18' der Stromschienenanordnung 18 ist somit eine Stromschienenmatrix gebildet, über die wahlweise zumindest ein ausgewählter Strang 11 mit einem ausgewählten Gerät 100 elektrisch verbunden werden kann, während zugleich ein anderes Gerät mit zumindest einem anderen Strang 11 elektrisch verbunden werden kann. Die Geräte bleiben dabei galvanisch voneinander getrennt.
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Welcher Strang 11 mit welcher Stromschiene 18' elektrisch verbunden wird, kann durch eine Steuereinrichtung 19 festgelegt werden. Die Steuereinrichtung 19 kann hierzu einen jeweiligen Energiebedarf und/oder einen jeweiligen Leistungsbedarf des zumindest einen angeschlossenen Geräts 100 ermitteln und dann zumindest einen Strang 11 auswählen, mittels welchem dem Bedarf entsprochen werden kann. Den Bedarf kann das Gerät 100 selbst z.B. über eine Kommunikationsschnittstelle mitteilen oder er kann z.B. als ein fest vorgegebener Wert in der Steuereinrichtung 19 gespeichert sein. Die Steuereinrichtung 19 kann dann die Schalteinheiten 15 jedes ausgewählten Strangs 11 mit den Stromschienen 18' verbinden, die zu dem angeschlossenen Gerät 100 führen.
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Es kann jeweils eine weitere Schalteinheit 15' zwischen je zwei Strängen 11 vorgesehen sein, um zwei Stränge 11 in Reihe zu schalten und somit deren Strangspannung zu addieren. Damit kann zwischen zwei Stromschienen 18' auch ein größere Spannung bereitgestellt werden, als sie von einem einzelnen Strang 11 erzeugt werden kann.
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Die Stromschienen 18' können jeweils paarweise mit einem Ausgangsanschluss 20 verbunden sein, an welchem jeweils ein Gerät 100 angeschlossen sein kann. Die Verbindungen der Stromschienen 18' mit den einzelnen elektrischen Kontakten der Ausgangsanschlüsse 20 sind in 1 durch korrespondierende Beschriftungen 1+, 2+, 3+, 1-, 2-, 3-, wobei „+“ für Plus-Potential und „-“ für Minus-Potential oder Masse-Potential stehen kann. Die Bezeichnungen symbolisieren drei mögliche Stromschienenpaare 1+,1- und 2+, 2- und 3+, 3-, wobei durch eine weitere, nicht dargestellte Schalteinrichtung auch die elektrischen Kontakte der Ausgangsanschlüsse 20 abwechselnd mit unterschiedlichen der Stromschienen 18' verbindbar ausgestaltet sein können. Die Ausgangsanschlüsse 20 können dabei stets untereinander galvanisch getrennt bleiben, solange jede Stromschiene 18' eines Anschlusses 20 mit einem anderen Strang 11 galvanisch verbunden ist.
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Hierbei kann auch ein gleichzeitiges Laden und Entladen unterschiedlicher Stränge 11 vorgesehen sein, um z.B. ein Gerät 100 nacheinander mit elektrische Energie aus unterschiedlichen Strängen 11 zu versorgen, die zwischendurch wieder aufgeladen werden. Z.B. kann ein Ladevorgang eines Elektrofahrzeugs (oder allgemein eines Geräts) über ein Stromschienen-Paar mit einer Ausgangsspannung von z.B. 400V erfolgen, während gleichzeitig das Aufladen anderer Stränge 11 z.B. über einen Transformator 21 bei einer Ladespannung von z.B. 800 V aus einem Versorgungsnetz 22 oder aus einer anderen vorrichtungsexternen Energiequelle erfolgen kann. Der Transformator 21 kann an einem Eingangsanschluss 23 der Energieliefervorrichtung 10 angeschlossen sein. Sind die Stränge 11 nicht für diese Ladespannung ausgelegt, können sie mittels der Schalteinheit 15' in Reihe zu einer Serienschaltung verschaltet werden. Die galvanische Trennung erfolgt durch die Nutzung unterschiedlicher Stromschienen 18' für die jeweiligen Stränge 11 und/oder jede Spannungsebene (Ausgangsspannung und Ladespannung, z.B. 400V und 800V).
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Durch die Stränge 11 kann auch eine Leistungskonzentration erfolgen, indem an dem Eingangsanschluss 23 eine Energiequelle, z.B. eine Solaranlage, mit einer ersten Leistung Energie in zumindest einen Strang 11 einspeist und anschließend der Strang 11 diese Energie mit einer zweiten Leistung, die größer als die erste Leistung ist, an ein an einen Ausgangsanschluss 20 angeschlossenes Gerät 100 wieder abgibt.
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Als Stationärspeicher kann die Energieliefervorrichtung 10 optional für den Eingangsanschluss 23 eine modular aufgebaute AC/DC-Wandleranordnung 24 mit mehreren AC/DC-Wandlern 24' aufweisen, die individuell zwischen den Stromschienen 18' mittels einer Schalteinheit 25 umgeschaltet werden können, um auf einer Stromschiene 18' eine vorbestimmte Stromstärke und/oder Ladespannung für einen Ladestrom bereitstellen zu können oder auch den jeweiligen AC/DC-Wandlern 24' galvanisch von der Stromschienenanordnung 18 trennen zu können. Mittels weiterer Schalteinheiten 26 ist auch eine galvanische Trennung von dem Eingangsanschluss 23 möglich. Die Schalteinheiten 25, 26 können jeweils durch ein Schütz gebildet sein. Die Schalteinheiten 25, 26 können durch die Schalteinrichtung 19 gesteuert werden. Durch Öffnen der beiden Schalteinheiten 25, 26 eines AC/DC-Wandlers 24' kann dieser somit galvanisch entkoppelt werden und im laufenden Betrieb der Energieliefervorrichtung 10 auch ausgetauscht werden. Die Schalteinheiten 25, 26 stellen somit Entkopplungsschalter dar. Die AC/DC-Wandler 24' können galvanisch trennend ausgestaltet sein. Die AC/DC-Wandleranordnung 24 muss aber nicht unbedingt galvanisch trennende AC/DC-Wandler 24' aufweisen. Andere Wandler sind günstiger. Die galvanische Trennung kann jederzeit mittels der mechanischen Schalter der Stränge sichergestellt werden.
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An den Eingangsanschluss 23 anstelle des Versorgungsnetzes 22 eine netzautarke Energiequelle, wie z.B. ein Notstromaggregat oder eine Windkraftanlage, angeschlossen sein. Anders herum kann auch die Energieliefervorrichtung 10 selbst netzbildend wirken, d.h. es kann ein gegenüber anderen an den Eingangsanschluss angeschlossenen Geräten eine Netzfrequenz vorgeben. Dies ist insbesondere für den Einsatz der Energieliefervorrichtung 10 in einer Region ohne eigenes Versorgungsnetz 22 vorteilhaft. Es können AC-Geräte ohne Anpassung wie an einem öffentlichen Versorgungsnetz betrieben werden. Das Gegenteil zum netzbildenden Betrieb ist der netzfolgende Betrieb, d.h. es wird auf eine vorgegebene Netzfrequenz aufsynchronisiert.
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Zum Schalten der Schalteinheiten 15, 15', 25, 26 und der Nutzeinheiten 12 sowie zum Empfangen von Daten aus den Nutzeinheiten 12 kann die Steuereinrichtung 19 mit diesen Komponenten über eine Kommunikationseinrichtung 27 gekoppelt sein. Die Kommunikationseinrichtung 27 kann z.B. einen Kommunikationsbus umfassen, z.B. einen CAN-Bus (CAN - Controller Area Network), oder ein Ethernet.
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Die Steuereinrichtung 19 akkumuliert somit allgemein Wissen darüber, was wie geschaltet werden kann, also z.B. welche Stromschiene 18' auf welchen String 11 geschaltet werden kann. Die Steuereinrichtung 19 kann zumindest teilweise als eine zentrale Steuereinrichtung für alle Stränge 11 und/oder zumindest teilweise als verteilte Steuereinrichtung pro Strang 11 ausgestaltest sein. Sie kann eine Prozessoreinrichtung mit zumindest einem Mikrocontroller und/oder zumindest einem Mikroprozessor aufweisen. Ein Betriebsprogramm der Prozessoreinrichtung kann dazu eingerichtet sein, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die beschriebenen Verfahrensschritte zum Betreiben der Energieliefervorrichtung 10 durchzuführen.
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Optional können Kondensatoren 30, 31 (insbesondere Doppelschichtkondensatoren) an den Ausgangsanschlüssen 20 und/oder am Eingangsanschluss 23 vorgesehen sein, um Lastspitzen zu puffern. Durch die Nutzeinheiten 12 können damit bei Lastspitzen / Peaks (im Bereich z.B. bis zu einer Dauer von z.B. 3s oder 5s) schonender betrieben werden, da die Lastspitze gedämpft wird. Eine Lastspitze kann eine elektrische Leistung größer als eine Summe der Einzelnennleistungen der zugeschalteten Nutzeinheiten 12 sein, insbesondere eine Leistung größer als das 1,2-fache der Summe.
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Für einen Umschaltvorgang an den Stromschienen 18' kann eine Umladeschaltung oder Begrenzungsschaltung 32 (Schalter und Widerstandselement) in Reihe zum jeweiligen Kondensator 30, 31 geschaltet sein, um einen Kondensatorstrom über das Widerstandselement zu führen, wodurch die Stromstärke des Kondensatorstroms auf einen vorbestimmten Höchstwert begrenzt wird. Die Begrenzungsschaltung 32 kann für das Laden und Entladen des jeweiligen Kondensators 30, 31 genutzt werden. Ein Kondensator 30, 31 mit seiner Begrenzungsschaltung 32 stellt eine Kondensatoreinrichtung dar. Die Begrenzungsschaltung 32 stellt also eine Vorladeschaltung dar.
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Eine Kühlung der Stränge 11 (insbesondere der Nutzeinheiten 12 in den Strängen 11) kann z.B. in einem Regal durch Anordnung einer Kühlebene unter der Strang-Ebene vorgesehen sein.
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Jede Stromschiene 18' kann aus Aluminium oder Kupfer sein. Aluminium ist der preisgünstigere Werkstoff und leichter als Kupfer. Aluminium generiert durch einen spezifischen Widerstand Verlustleistung (und zwar mehr als Kupfer), woraus Heizleistung für eine Temperierung der Nutzeinheiten 12 (insbesondere Batteriezellen) generiert werden kann, die über eine thermische Kopplung, z.B. einen Kühlkreislauf, von den Stromschienen 18' zu den Nutzeinheiten 12 übertragen werden kann.
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Bei einer Stromaufteilung bei mehreren Strängen 11 an einer Stromschiene 18' kann durch Stellen / Regeln der einzelnen Strangströme I über den Gleichspannungswandler 14 des Strangs 11 die Stromstärke I angepasst werden, z.B. angeglichen oder dynamisch verlagert werden. So kann z.B. das Aufteilen der benötigten Gesamtstromstärke für das Gerät 100 auf N Stränge 11 aufgeteilt werden, z.B. N=3, und jeder Strang 11 eine eigens für ihn eingestellte Stromstärke I erzeugen, z.B. bei N=3: 50%, 25%, 25%.
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Hierdurch kann die im jeweiligen Strang 11 verfügbare Technologie der Nutzeinheiten 12 berücksichtigt werden, so dass die Nutzeinheiten 12 innerhalb ihrer Spezifikation betrieben werden. Da die elektrischen Spannungen U ermittelt werden können, kann mittels des Gleichspannungswandlers 14 dann der Strom I gestellt werden, damit z.B. Ausgleichströme zwischen den Strängen 11 fließen, die kleiner als ein Schwellenwert sind. So kann z.B. sichergestellt werden, dass im Falle von Batterien pro Batteriezelle ein Strom I von bis zu 300-400 A nur für 15 s, aber ein Dauerstrom nur bis 150 A fließt. Jeder Strang 11 kann also mit einer eigenen Betriebsstrategie betrieben werden, angepasst an dessen Technologie. Eine geeignete Stromstärke I kann mittels des Gleichspannungswandlers 14 eingestellt werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann in Abhängigkeit von der Leitungslänge 28 der Stromschienenabschnitte, die von einem Strang 11 zu einem Ausgangsanschluss 20 führen (also zu einem Verbraucher), die Stromstärke I des jeweiligen Stranges 11 mittels dessen Gleichspannungwandlers 14 durch die Steuereinrichtung 19 eingestellt werden, um die Aufteilung der Stromstärken I bei mehreren parallel geschalteten Strängen 11 in Abhängig von der Leitungslänge 28 und in Abhängigkeit von den folglich resultierenden Verlusten einzustellen, damit die Verluste optimiert (z.B. minimiert oder zum Heizen maximiert) und/oder örtlich aufgeteilt werden können. Ein Strang 11 mit kürzerer Leitungslänge 28 der Zuleitung über die Stromschienen 18' kann für die Minimierung eine größere Stromstärke I zugewiesen bekommen als ein Strang 11 mit längerer Leitungslänge 28. Somit wird die Auswirkung unterschiedlicher Leitungslängen kompensiert. Die Stromstärke I kann auch in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur der Leitungsabschnitte eingestellt werden. Durch ein solches Leistungsmanagement kann der Nachteil des höheren spezifischen Widerstands von Aluminium kompensiert werden durch Vorgeben und Anpassen der Stromstärke auf einzelnen Leitungsabschnitten.
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Bei Bedarf können durch die Steuereinrichtung 19 somit zusammenfassend die Stränge 11 mit der aktuell benötigten Eigenschaft an die verwendeten Stromschienen 18 geschaltet werden, die zu dem Ausgangsanschluss 20 führen, an dem die Leistung durch ein angeschlossenes Gerät 100 abgegriffen wird. Jeden Strang 11 kann man nach Bedarf mittels seiner Schalteinheiten 15 einkoppeln. Jeder Strang 11 kann einzeln entleert / geladen werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Wirkungsgradoptimierung für den Gleichspannungswandler 14 innerhalb des Strangs 11 durchgeführt werden, indem seine Eingangsspannung durch Auswählen und Zuschalten von Nutzeinheiten 12 eingestellt wird. Der Gleichspannungswandler 14 jedes Strangs 11 kann somit zwei Aufgaben erfüllen. Er begrenzt den Strangstrom I auf einen vorgebbaren Sollwert, damit Nutzeinheiten 12 gemäß ihrer vorgegebenen Spezifikation (Betriebsgrenzen) betrieben werden können. Die Spannung U des Strangs 11 kann an die Stromschienenspannung angeglichen werden. So können die Ausgleichsströme zwischen mehrerer Stränge 11 vermindert werden. Zusätzlich stellt der Gleichspannungswandler 14 sicher, dass an den Stranganschlüssen 17 eine vorgegebene Sollspannung anliegt, unabhängig von der Anzahl der im Strang 11 aktiv betriebenen Nutzeinheiten 12.
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Eine Strommessung 16 für den Strangstrom I kann in der beschriebenen Weise zentral in der Messeinheit 16 im Strang 11 erfolgen und ist ohnehin für die Regelung des Gleichspannungswandlers 14 nötig.
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Die zentrale Steuereinrichtung kann auch innerhalb jedes Strangs 11 diesen individuell rekonfigurieren, d.h. Nutzeinheiten 12 in der Reihenschaltung 13 des Strangs 11 zu- und abschalten. Falls z.B. die Strangspannung U kleiner ist als eine benötigte Schienenspannung der zugeschalteten Stromschienen 18', können mehr Nutzeinheiten 12 in der Reihenschaltung 13 des Strangs 11 zugeschaltet werden. Dies kann mittels Halbleiterschaltern (z.B. Transistoren) derart schnell erfolgen, dass es in einer Schaltpause des Gleichspannungswandlers 14 erfolgen kann.
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In 2 ist hierzu gezeigt, wie jede Nutzeinheit 12 durch eine individuelle Schalteinrichtung N10 elektrisch überbrückt, elektrisch isoliert und/oder entladen werden kann. Hierzu sind in der besagten Weise Halbleiterschalter T (Transistoren) vorgesehen. Jede Nutzeinheit 12 kann als Funktionen vorsehen: ein Bridging / eine Überbrückungsschaltung N11, eine Diagnoseeinheit N12, ein (insbesondere passives) Loadbalancing / eine Entladeschaltung N13, eine Entkopplung/Trennschaltung N14. Ein Halbleiterschalter T muss nur eine Niedervoltspannung sperren können, z.B. 2x Einzelspannung V der Nutzeinheit 12. Das Loadbalancing kann auch in bekannter Weise aktiv erfolgen (sogenanntes aktives Loadbalancing). Zusätzlich zum Schalter für die Trennschaltung N14 kann auch für den zweiten, gegenüberliegenden Pol ein weiterer Schalter vorgesehen sein (allpoliges Schalten). Die Diagnoseeinheit N12 kann in bekannter Weise für eine Zellanalyse, z.B. eine Impedanzmessung mittels z.B. Impedanzspektroskopie, ausgestaltet sein. Die Diagnoseeinheit N12 kann hierzu pro Nutzeinheit 12 für eine Impedanzspektralanalyse (0Hz bis z.B. 3kHz), einen Messstrom I' und eine Einzelspannung V bei mehreren Frequenzen f ermitteln, was den Impedanzverlauf über der Frequenz f ergibt. Dies stellt ein Impedanzspektrum dar. Die Diagnoseeinheit N12 kann einen aktuellen Zustandswert 29 eines Messstroms I' und/oder der Einzelspannung V und/oder der gemessenen Impedanz über die Kommunikationseinrichtung 27 an die Steuereinrichtung 19 signalisieren. Mit dem Begriff „Impedanz“ ist im Zusammenhang mit der Erfindung ein Impedanzwert bei einer vorbestimmten Frequenz, z.B. 0Hz, oder ein Impedanzverlauf über der Frequenz f gemeint. Mehrere Frequenzen können in einem Frequenzsweep mit einer schrittweisen Erhöhung oder Verringerung überprüft werden. Alternativ dazu kann eine Multifrequenzanregung bei mehreren Frequenzen zugleich vorgesehen sein. Die Multifrequenzanregung kann z.B. als Multisinusanregung oder als Rechtecksignal oder als Sprungsignal ausgestaltet sein.
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Jede Nutzeinheit 12 kann so individuell überwacht werden z.B. in Bezug auf ihren SoH (State of Health - Verschleißzustand) und/oder SoC (State of Charge - Energielieferkapazität) und/oder SoF (State of Function - Leistungsfähigkeit, Leistungsabgabefähigkeit). Die Kenngrößen SoH und SoC und SoF sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt.
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Unabhänig von der Impedanzmessung kann auch die Einzelspannung V der Nutzeinheit 12 ohne die Wechselspannung der Impedanzmessung gemessen werden. Auch eine Nutzeinheit 12, die überbrückt ist (mittels der Überbrückungschaltung N11) kann in Bezug auf ihre Einzelspannung V überwacht werden. Vor dem Zuschalten (N14 schließen oder elektrisch leitend schalten) kann die Einzelspannung V der Nutzeinheit 12 mittels des Loadbalancing N13 individuell angepasst werden. Es kann optional auch eine elektrische Ladeeinheit pro Nutzeinheit 12 vorgesehen sein, die individuell die Nutzeneinheit 12 auch bei offenem Halleiterschalter der Trennschaltung N14 aufladen kann (jede Nutzeinheit 12 kann somit individuell geladen werden). Die Energieversorgung der Ladeeinheit kann z.B. über die Kommunikationseinrichtung 27 erfolgen (z.B. mittels Power-over-Ethernet-Technologie) oder mittels einer galvanisch getrennten Stromversorgungseinheit.
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Es kann eine gegenseitige Verriegelung von N11 und N14 vorgesehen werden (z.B. software-technisch oder mittels einer Logikschaltung), damit kein Kurzschluss erzeugt wird.
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Zusätzlich kann eine Temperaturmessung durch die Diagnoseeinheit N12 oder z.B. durch die Steuereinrichtung 19 ein Rückschluss auf die Temperatur aus der Impedanz vorgesehen sein.
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Es besteht somit für die Steuereinrichtung 19 Zugriff auf jede einzelne Nutzeinheit 12 über die Kommunikationseinrichtung 27. Der Zustand jeder Nutzeinheit 12 kann ausgelesen und die Schalteinrichtung N10 jeder Nutzeinheit 12 kann gesteuert werden, insbesondere die Überbrückungsschaltung N11 in Kombination mit der Trennschaltung N14. Durch kombiniertes Schalten der Überbrückungsschaltung N11 und der Trennschaltung N14 kann eine Nutzeinheit 12 in der Reihenschaltung abwechselnd zugeschaltet und weggeschaltet werden.
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Auf dieser Grundlage kann der Verschleiß / Zustand jeder Nutzeinheit 12 zentral in der Steuereinrichtung 19 ermittelt werden (z.B. in Form der Impedanz als Verschleißwert) und der Schaltzustand jeder Nutzeinheit 12 in Abhängigkeit von vom ermittelten Zustand eingestellt werden. Einzelne Nutzeinheiten 12 lassen sich aus dem String 11 elektrisch herausnehmen (Überbrücken N11), hereinnehmen (in Reihe schalten), einzeln entladen (Entladewiderstand R, Balancingschaltung N13), zeitweise elektrisch trennen (N14 öffnen/elektrisch sperrend schalten) z.B. für die Diagnoseeinheit N12.
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Somit kann auf unterschiedlichen Verschleiß / individuelle Parameterstreuung der Nutzeinheiten 12 im Strang 11 reagiert werden: Es werden bevorzugt nur Nutzeinheiten 12 mit ähnlichen Parameterwerten aktiv betrieben. Die Ähnlichkeit kann durch ein Ähnlichkeitskriterium definiert sein, das z.B. einen maximalen Unterschied zumindest einer Kenngröße vorgibt, wobei der Unterschied in einem Bereich von 10% bis 100% (das Doppelte/die Hälfte) liegen kann. Eine alte/schwache Nutzeinheit 12 werden zunächst überbrückt / herausgeschaltet. Diese kann durch ein Leistungsfähigkeitskriterium erkannt werden, das sich z.B. auf die Impedanz bezieht oder dadurch definiert ist, dass das Ähnlichkeitskriterium verletzt ist. Das Leistungsfähigkeitskriterium schließt also zu schwache Nutzeinheiten 12 aus. Das Zuschalten alter Nutzeinheiten 12 / schwacher Nutzereinheit 12 wird später wieder möglich, sobald die Strangbedingungen passen, das heißt die übrigen Nutzeinheiten 12 ebenfalls soweit verschlissen sind, dass wieder das Ähnlichkeitskriterium erfüllt ist.
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Durch das Ähnlichkeitskriterium kann die Notwendigkeit für ein Loadbalancing reduziert werden. Die Leistung pro Nutzeinheit (Strom I im Strang ist gleich, aber bei unterschiedlicher Spannung ergibt sich eine unterschiedliche Leistung, was eine lokale Erhitzung und damit Alterung/Verschleiß zur Folge hat) kann im Voraus angeglichen werden. Denn das Loadbalancing erfordert einen Angleich auf die „schwächste“ Nutzeinheit, die also die niedrigste Spannung erzeugt, d.h. es muss auf die niedrigste Spannung reduziert werden. Indem im Voraus gleiche oder ähnliche Betriebsbedingungen mittels des Ähnlichkeitskriteriums geschaffen werden, ist weniger Balancing nötig. Sind also z. B. die Einzelspannungen V=4,1Volt und V=3,9Volt in einem Strang vorhanden, müsste ein Balancing auf die schwächste Nutzeinheit einstellen, d.h. auf 3,9Volt. Durch die Innenwiderstand-Messung (Impedanzspektroskopie) kann die schwächste Nutzeinheit (größter Innenwiderstand) erkannt werden (Leistungsfähigkeitskriterium) und aus dem Strang 11 geschaltet werden (Bridging N11). Die Impedanz ist aber nur ein Beispiel für die Erkennung einer schwachen Nutzeinheit. Allgemein kann das Erkennen der schwächsten Nutzeinheit in Abhängigkeit von einem Zustand der Nutzeinheit erfolgen.
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Durch elektrisches Entkoppeln / Trennen N14 aller Nutzeinheiten 12 eines Strangs 11 kann der Strang 11 auch HV-frei geschaltet werden. Alle Nutzeinheiten 12 werden voneinander entkoppelt. In diesem Sicherungsmodus kann der Strang 11 z.B. für eine Montage, eine Unfallsicherung, einen Notfall, einen Transport gesichert werden. Die Schaltreihenfolge ist wichtig: Erst werden die mechanischen Schalteinheiten 15 (Schütze) geöffnet, dann erfolgt der Reihe nach Entkoppeln N14 der Nutzeinheiten 12.
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Durch die Steuereinrichtung 19 kann auch ein Verschleißangleich / Wear-Leveling der einzelnen Nutzeinheiten 12 vorgesehen werden. Das Wear-Leveling sieht die homogene Nutzung des Felds/der Anordnung aus Nutzeinheiten 12 vor. Man erzielt hierdurch einen Verschleißangleich beim Betrieb der Nutzeinheiten 12. Vorbild kann das Wear-Leveling aus der FLASH-Speichertechnologie (https://en.wikipedia.org/wiki/Wear_leveling) sein.
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Vorteil der Vergleichmäßigung des Verschleißes ist die Verlängerung der Gesamtlebensdauer der Energieliefervorrichtung 10, da eine Ausfallwahrscheinlichkeit einzelner Nutzeinheiten 12, wie er durch überdurchschnittliche Abnutzung einer einzelnen Nutzeinheit 12 verursacht werden kann, verringert wird.
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Die Zufuhr/Entnahme von Energie, d.h. der Energieaustausch E mit einem angeschlossenen Gerät 100, erfolgt mittels der nächsten Nutzeinheiten 12, die gemäß Wear-Leveling dran sind. Es wird hierzu für jede Nutzeinheit 12 ein aktueller Verschleißzustand als Verschleißwert angegeben. Ziel dieser Maßnahmen ist also ein gleichmäßiger Verschleiß. Der Verschleißwert kann z.B. durch die Impedanz der Nutzeinheit 12 repräsentiert sein. Der Verschleißwert gibt eine Abnutzung der Nutzeinheit 12 an.
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Für jede Nutzeinheit 12 kann in Abhängigkeit von dem Verschleißwert ein jeweiliger Sollwert zumindest eine Betriebsgröße, z.B. des Stromes I beim Entladen und/oder der Einzelspannung V beim Aufladen, auf der Grundlage eines Angleichkriteriums ermittelt werden, wobei das Angleichkriterium vorsieht, dass durch Einstellen jedes Sollwerts eine oder einige oder alle der Nutzeinheiten 12 insgesamt den Energieaustausch E zwar vollständig vollziehen, hierbei aber ein aus allen Verschleißwerten berechneter Unterschied der Abnutzung der Nutzeinheiten 12 minimal gehalten wird. Die Abnutzung der Nutzeinheiten 12 wird also während des Energieaustauschs E angeglichen, indem stärker abgenutzte Nutzeinheiten 12 weniger belastet werden als weniger abgenutzte Nutzeinheiten 12. Letztere nutzen dabei weiter ab, wodurch sich ihr Abnutzungszustand dem der weniger belasteten Nutzeinheiten 12 angleicht.
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Der Verschleißwert ändert sich im Betrieb, und zwar umso schneller, falls die Nutzeinheit 12 in einem Betriebspunkt betrieben wird, der von einem Idealzustand abweicht (die Nutzeinheit verschleißt weiter). Daher sind auch Schonmaßnahmen sinnvoll.
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Bevorzugt werden hierzu die Nutzeinheiten 12 nur innerhalb eines Toleranzintervalls um einen Idealladezustand herum betrieben, der z.B. bei einem Ladezustand von 50% liegen kann, und/oder ein Stromprofil eines während des Energieaustauschs fließenden elektrischen Stromes der Nutzeinheit 12 vorgeben kann.
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Allgemein ist der Idealzustand von der verwendeten Technologie der Nutzeinheit abhängig und im Stand der Technik bekannt. Der Idealzustand kann bei Batteriemodulen definiert sein durch die folgenden Parameter:
- SoC - State of Charge (Energieinhalt) - ideal sind z.B. 50%;
- DoD - Depth of Discharge - Entladungsgrad (Stromprofil) z.B. idealer Ladezustand 50% minus maximal 20% (Toleranzintervall).
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Die angegebenen Idealwerte sind abhängig von der Elektrochemie und/oder der vorgesehenen Anwendung und jeweils für die konkrete Energieliefervorrichtung vom Fachmann zu bestimmen.
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Allgemein sollte die DoD „klein“ bleiben, d.h. nicht zu weit nach unten sinken. Je weiter der aktuelle Betriebspunkt vom Idealzustand entfernt ist, desto schneller steigt der Verschleißwert. Der aktuelle Betriebspunkt kann eingestellt werden, indem der Ladestrom / Entladestrom I für die Nutzeinheiten 12 entsprechend eingestellt wird. Die AC/DC-Wandleranordnung 24 kann für das Einstellen des Ladestroms, der Gleichspannungswandler 14 für das Einstellen des Entladestroms genutzt werden. Die Verschleißzustände / Verschleißwerte aller Nutzeinheiten sollen dabei angeglichen werden.
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Eine weitere Schonmaßnahme ist die folgende: Es kann eine Überkapazität an Nutzeinheiten 12 vorgehalten werden. Ohne zusätzlichen Schalter kann mittels einer Überkapazität an Nutzeinheiten 12 die Belastung verteilt werden. Es ergibt sich eine geringere Belastung pro Nutzeinheit 12, indem alle Nutzeinheiten immer mitverwenden werden, um gleichmäßig abzunutzen. Es verlängert sich aber zudem die Lebensdauer auch schon wegen der geringeren Belastung; denn wenn z.B. pro Strang bei 110% Kapazität (Summe der Einzelkapazitäten der Nutzeinheiten 12 im Strang) mit Drosselung durch die Steuereinrichtung 19 nur 100% (nomineller Nennwert) abgerufen werden, ergibt sich eine geringere Spitzenbelastung pro Nutzeinheit 12. Der Strang 11 liefert z.B. eine größere Spannung als benötigt, es muss also weniger Strom I für dieselbe Leistung als bei einer Besetzung von nur 100% Nennwert (Nennkapazität) fließen. Ein Beispiel: 12 Nutzeinheiten sind bereitgestellt, aber einen Nennwert von nur 10 Nutzeinheiten wird nominell Verfügbar gemacht.
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Ohne Schalter müssen 12 Nutzeinheiten zugeschaltet sein, aber elektronisch erfolgt nur das Abrufen der Kapazität für nur 10 Nutzeinheiten (kein Schalten nötig!). Hierdurch sind auch schwächere Nutzeinheiten möglich, da deren Peak-Ströme geringer sind, und zwar wegen der sich ergebenden höheren Strangspannung U, da mehr Nutzeinheiten in Reihe geschaltet als nominell vorhanden. Die Nutzung billigerer Nutzeinheiten möglich.
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Falls Schalter verfügbar sind, z.B. die Halbleiterschalter T, kann ein Durchwechseln zwischen den Nutzeinheiten 12 eines Strangs 11 vorgesehen sein, z.B. sind immer 10 Nutzeinheiten bereitgestellt (ergibt die Nennkapazität) und 2 Nutzeinheiten überbrückt.
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Das Bereitstellen einer Überkapazität an Nutzeinheiten 12 bedeutet, dass die Summe der Einzelnennkapazitäten der Nutzeinheiten 12 (d.h. deren kombinierte Bruttokapazität) größer ist als die nach außen hin verfügbar gemachte Nennkapazität. Hierdurch kann auch ein Ausfall einer Nutzeinheit kompensiert werden. So kann die Energieliefereinrichtung 10 z.B. als ein Energiespeicher (z.B. Batteriespeicher) mit einer ausgewiesenen oder nominellen Nennkapazität (z.B. 100 kWh) bereitgestellt werden. Tatsächlich wird intern eine Bruttokapazität vorgesehen, die größer als die von außen verfügbar gemachte Nennkapazität ist (tatsächliche Bruttokapazität von z.B. 110kWh, größer als die Nettokapazität von z.B. 100kWh). Mit anderen Worten sind mehr Nutzeinheiten (z.B. Batteriezellenmodule) vorhanden, als für die Bereitstellung der Nennkapazität nötig sind.
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Es werden z.B. nach außen immer nur so viele Nutzeinheiten für das Entladen verfügbar gemacht, wie es der Nennkapazität entspricht. Diese Nutzeinheiten sind dann aktive Einheiten oder „Aktiveinheiten“. Die übrigen (nicht aktiv genutzten) Speichereinheiten sind „Reserveeinheiten“.
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Gemäß einem Bad-Block-Management (BBM - Bad Block Management) werden defekte oder verbrauchte Aktiveinheiten erkannt und außer Betrieb genommen. D.h. bei Ausfall / Defekt einer Aktiveinheit (defekte Nutzeinheit), kann diese ausgefallene Aktiveinheit außer Betrieb und eine Reserveeinheit (bisher inaktive Nutzeinheit) als neue Aktiveinheit in Betrieb genommen werden. So bleibt trotz Ausfall einer Nutzeinheit / mehrerer Nutzeinheiten die nominelle Nennkapazität erhalten. Der Begriff Bad-Block-Management (BBM) kommt aus der Flash-Speicher-Technologie (https://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory#Memory_wear).
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Im Normalbetrieb kann aber auch ein Rotieren oder Durchwechseln (z.B. gemäß dem Round-Robin-Algorithmus oder allgemein einer vorbestimmten Austauschvorschrift) zwischen den Nutzeinheiten erfolgen, um alle Nutzeinheiten gleichmäßig abzunutzen. Wird dann eine Reservereinheit als Ersatz für eine ausgefallene Aktiveinheit aktiviert, so weist die Reserveeinheit bereits ähnliche elektrische Eigenschaften wie die übrigen Aktiveinheiten auf, weil sie bereits einen ähnlichen Abnutzungsgrad (im Sinne des genannten Ähnlichkeitskriteriums) aufweist. Dies kann den Grad des notwendigen Loadbalancing in der beschriebenen Weise reduzieren.
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Aufgrund der Einteilung von Nutzeinheiten in Aktiveinheiten und Reserveeinheiten können auch während des Betriebs des Energiespeichers Nutzeinheiten bei einer Wartung ausgewechselt werden, ohne dass die Nennkapazität beeinträchtigt wird. Auszuwechselnde Nutzeinheiten können hierbei als Reserveeinheit separiert / aus dem Betrieb genommen werden und dann ausgebaut / ersetzt werden (dynamischer Wechsel der Nutzeinheiten).
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Das Bad-Block-Management und/oder das Auswechseln kann auch gruppenweise oder Strang-weise erfolgen, d.h. es wird dann eine Gruppe aus Nutzeinheiten 12 oder die gesamte Reihenschaltung 13 eines Strangs geschaltet und/oder ausgewechselt. Auch innerhalb einer Nutzeinheit 12 kann ein Bad-Block-Management erfolgen. So können z.B. eine bei einer als Batteriemodul ausgestalteten Nutzeinheit 12 mehrere Batteriezellen vorgesehen sein, z.B. 12 Batteriezellen als 3-fache Reihenschaltung von je 4 Batteriezellen im Parallelverbund. Es kann dann jeweils ein Parallelverbund rausgeschaltet werden, z.B. durch Überbrücken.
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In Bezug auf ein Lade-Management für die Stränge kann folgendes vorgesehen sein.
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Über die Stromschienen 18 können mittels der Gleichspannungswandler 14 zusammengeschaltet werden, um Energie umzuladen. Ein Strang 11 kann somit über mehrere Quellen aufgeladen werden, z.B. 40kW aus anderem Strang 11 und 10kW aus einem Netz-AC/DC-Wandler 24', um 50kW Ladeleistung bereitzustellen.
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Bei der Leistungsabgabe kann ein Lastprofil geglättet / vergleichmäßigt werden, indem z.B. einige Stränge 11 den Verbraucher versorgen, während sich andere Stränge 11 schon aufladen, um dann für den weiteren Ladevorgang bereitzustehen. Z.B. kann gleichzeitig Laden mit z.B. 10A und Entladen mit z.B. 20A erfolgen (zumindest ein Strang 11 lädt das Gerät 100, zumindest ein anderer Strang 11 wird aus dem Versorgungsnetz 22 aufgeladen). Es kann auch ein Boost-Strom (kurzzeitiges Peak, z.B. mehr als Faktor 1,5) durch Zuschalten eines Strangs 11 erzeugt werden.
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Die (thermische / elektrische) Belastung der einzelnen Stränge 11 kann begrenzt werden, indem abwechselnd unterschiedliche Stränge 11 ein angeschlossenes Gerät 100 versorgen (z.B. ein E-Fahrzeug aufladen). So kann auch die besagte DoD (Depth of Discharge) begrenzt werden, z.B. auf 20%.
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Mittels der mechanischen Schalteinheiten 15 an jedem Strang 11 kann auch eine vollständige galvanische Trennung zwischen den Strängen erfolgen, falls diese an unterschiedliche Stromschienen geschaltet werden. Dies ist die Voraussetzung, um mehrere Geräte 100 (z.B. E-Fahrzeuge) gleichzeitig aufladen zu können. Jedes E-Fahrzeug wird an eine andere Stromschiene 18' angeschlossen, die von den übrigen Stromschienen galvanisch getrennt ist.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Energieliefervorrichtung mit Power-Matrix bereitgestellt werden kann.
